Микрочастицы «катаются» на волнах хаоса для экономии энергии
Физики из Дюссельдорфского университета имени Генриха Гейне и Тель-Авивского университета разработали стратегию, позволяющую микроскопическим частицам эффективно перемещаться в хаотической среде, экономя энергию. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications, могут быть полезны для создания будущих наномашин, например, для адресной доставки лекарств.
Условия в микромире крайне нестабильны. Чтобы обеспечить эффективный транспорт питательных веществ внутри клетки, микроскопическим переносчикам приходится реагировать на постоянные флуктуации окружающей среды. Учёные исследовали, как минимизировать работу, необходимую для перемещения частицы в заданную точку за определённое время в таких условиях.
«В лучшем случае эту задачу управления можно использовать для извлечения работы, то есть флуктуации и внешние силы, зависящие от времени, умно используются для оптимизации энергозатрат на транспорт», — пояснил старший автор исследования, профессор Хартмут Лёвен.
В основе работы лежат модельные расчёты с использованием коллоидных частиц и «оптических пинцетов» — инструментов для манипуляции микрообъектами с помощью света. Исследователи определили максимальный объём работы, который можно извлечь из такой неравновесной системы, что является обобщением второго закона термодинамики для микроскопических масштабов.
«Мы разработали оптимизированный протокол для управления коллоидной частицей с помощью оптических пинцетов, чтобы извлечь максимум работы. Это позволяет умно использовать внешние силы для выполнения работы именно тогда, когда это необходимо», — добавил Лёвен.
Теоретические расчёты, выполненные в Дюссельдорфе, дополнены прикладной перспективой от учёных из Тель-Авива. По их словам, аналогичные процессы происходят в биологических системах внутри клеток, а полученные знания могут лечь в основу синтетических систем, например, для целевой доставки лекарств в организме.
0 комментариев