ذخیره ی زیاد انرژی برای ماشین های کوچک

بازدیدها: ۶۹

فیزیکدانان برای اولین بار موفق شدند استراتژی­ ای برای دستکاری تریلیون­ها نانوماشین مولکولی کوچک موجود در درون ما نشان دهند که کار می­کنند تا ما را زنده نگه دارند و بازده و ذخیره­ ی انرژی را به حداکثر برسانند. در یک پژوهش جامع، تیمی به سرپرستی استاد فیزیک SFU دیوید سیواک (David Sivak) این کار را انجام دادند. دستیابی به این موفقیت می­تواند تاثیر بسزایی در رشته­ های متعدد برای مثال ساخت چیپ­ های کامپیوتری با بازده­ ی بیشتر یا ساخت سلول­های خورشیدی برای تولید انرژی.

درون همه ­ی ما تریلیون­ها نانوماشین­ های مولکولی کوچک قرار دارد که وظایف ضروری مختلفی را در جهت زنده نگه داشتن ما انجام می­ دهند. نانوماشین­ ها به معنای واقعی کوچک هستند (چند میلیاردم متر). آنها همچنین بسیار سریع بوده و قادر به انجام کارهای پیچیده هستند، هر کاری از حرکت دادن مواد دور یک سلول گرفته تا ساخت و تجزیه­ ی مولکول­ها و حتی پردازش و اظهار اطلاعات ژنتیکی. سیواک می­ گوید: این نانوماشین­ های مولکولی می­توانند در عین حال که مقدار بسیار جزئی­ ای انرژی مصرف می­کنند این وظایف را نیز انجام دهند؛ در نتیجه به کمک فرضیه­ ای که بازده­ ی انرژیکی را پیش­بینی می­کند می­توانیم چگونگی عملکرد این ماشین­های میکروسکوپی را بفهمیم و بدانیم چه چیزی اشتباه پیش می­رود زمانیکه آنها ازبین روند.

همکاران تجربی کار سیواک یک DNA سنجاق سری یا hairpin را که حالت جفت شدن (folding) و جدا شدنشان (unfolding) حرکت مکانیکی ماشین­ های مولکولی پیچیده­ای را تقلید می­کند، دستکاری کردند. همانطوری که توسط نظریه­ ی سیواک پیش­بینی شده بود، آنها دریافتند که بالاترین بازده و پایین­ ترین صرف انرژی زمانی اتفاق می­ افتد که سنجاق سر را زمانیکه در حالت جفت شده است به سرعت و زمانی که در آستانه ی جدا شدن میباشد به آرامی بکشند.

استیون لارج، دانشجوی کارشناسی ارشد فیزیک SFU و اولین نویسنده­ ی این مقاله توضیح می­دهد که سنجاق سرهای DNA (و نانوماشین­ها) بسیار کوچک بوده و دائما توسط برخوردهای شدید با مولکول­های مجاور تکان داده می­شوند. لارج می­گوید: اگر اجازه دهید که جدا شدن سنجاق سر DNA با همین تکان توسط مولکول­های مجاور اتفاق بیفتد، این یک ذخیره کننده­ ی زمان و انرژی است.

سیواک معتقد است که قدم بعدی این است که این نظریه را بکار گیرند تا بفهمند چگونه یک ماشین مولکولی را از چرخه­ ی اجرایی­ اش استخراج کنند، درحالیکه کاهش انرژی نیاز به انجام این کار دارد.

کاربردهای آن می­تواند شامل طراحی حافظه­ ی کامپیوتری و چیپ­ های کامپیوتری با بازده­ ی بالاتر (کاهش نیازمندی­های برقی و گرمای تابشی)، ساخت مواد انرژی تجدیدپذیر بهتر برای فرایندهایی نظیر فوتوسنتز مصنوعی (افزایش انرژی حاصل از خورشید) و بهبود آناتومی ماشین­های بیومولکولی برای کاربردهای بیوتکنولوژی مثل ترک موادمخدر.