纳米槽的群体可以提高任何机器的效率

纳米槽的群体可以提高任何机器的效率

能量转换网络的输出功率密度图,由相互作用的纳米机器组成,由球体说明。功率由红色增加到蓝色,因此在白虚线所围区域对应的同步相位,网络的输出达到最大。卢森堡大学

卢森堡大学的Massimiliano Esposito教授的研究团队研究了小型纳米机器的热力学。

所有机器将一种形式的能量转换为另一种形式 - 例如汽车发动机将存储在燃料中的能量变成运动能量。Those processes of energy conversion, described by the theory called thermodynamics, don’t only take place on the macro-level of big machines, but also at the micro-level of molecular machines that drive muscles or metabolic processes and even on the atomic level. The research team of Prof. Massimiliano Esposito of the University of Luxembourg studies the thermodynamics of small nanomachines only consisting of a few atoms. In a paper published in the prestigious scientific journal Physical Review X, they outline how these small machines behave in concert. Their insights could be used to improve the energy efficiency of all kinds of machines, big or small.

纳米技术的最新进展使研究人员能够在更小的尺度上了解世界,甚至允许设计和制造极小的人工机器。“有证据表明,这些机器的效率远高于汽车等大型机器。然而,就绝对价值而言,与我们在日常生活应用中的需求相比,这种产出是很低的,”埃斯波西托研究小组的博士生、该论文的主要作者蒂姆·赫皮奇解释道。“这就是为什么我们研究纳米机器如何相互作用,并观察这些小型机器的整体行为。我们想看看,当它们协同行动时,是否会产生协同效应。”

研究人员发现,纳米机器在特定条件下开始“成群”排列,并与它们的运动同步。埃斯波西托教授说:“我们可以证明,机器的同步触发了显著的协同效应,因此整体输出的能量远远大于单个输出的总和。”虽然这是一项基础研究,但研究人员解释说,论文中概述的原理有可能用于提高未来任何机器的效率。

为了模拟和研究纳米槽的大群的能量行为,科学家们创造了基于现有文学和实验研究结果的数学模型。

出版:Tim Herpich等,“集体力量:非平衡相变热力学的最小模型”,物理。修订版X 8,031056, 2018;doi: 10.1103 / PhysRevX.8.031056

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