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小型机器节省大量能源

我们所有人中都有数以万亿计的微小分子纳米机器,它们可以执行各种必要的任务来保持我们的生命。

在一项开创性的研究中,由SFU物理学教授David Sivak领导的团队首次展示了操纵这些机器以最大限度地提高效率和节约能源的策略。这一突破可能会在许多领域产生影响,包括创造更高效的计算机芯片和太阳能电池用于发电。

Nanomachines很小,非常小 - 实际上是几十亿分之一米宽。它们也快速且能够执行复杂的任务:从在细胞周围移动材料,构建和分解分子,以及处理和表达遗传信息。

Sivak说,这些机器可以在消耗非常少的能量的情况下执行这些任务,因此预测能量效率的理论有助于我们了解这些微观机器如何发挥作用以及当它们发生故障时会出现什么问题。

在实验室中,Sivak的实验合作者操纵了DNA发夹,其折叠和展开模仿了更复杂的分子机器的机械运动。正如Sivak的理论所预测的那样,他们发现,如果发夹在折叠时快速拉动发夹,但是当它处于展开的边缘时,会发生最大的效率和最小的能量损失。

Steven Large是SFU物理研究生,也是论文的共同第一作者,他解释说DNA发夹(和纳米机器)是如此微小和松软,以至于它们不断被与周围分子的猛烈碰撞所推挤。

“让你们为你展开发夹是节省能源和节省时间的,”莫尔说。Sivak认为,下一步是应用该理论来学习如何通过其操作周期驱动分子机器,同时减少这样做所需的能量。

那么,使纳米机器更有效率的好处是什么?西瓦克说,潜在的应用可能会在各个领域改变游戏规则。

“用途可能包括设计更高效的计算机芯片和计算机内存(降低功率要求和散发的热量),为人工光合作用(增加从太阳收集的能量)等过程制作更好的可再生能源材料,并改善生物分子机器的自主性生物技术应用,如药物输送。“

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