Het is algemeen bekend dat het perfecte de vijand is van het goede, maar in de wereld op nanoschaal, perfectie kan fungeren als de vijand van het beste.

In de dagelijkse wereld, ingenieurs en wetenschappers doen er alles aan om de apparaten die we gebruiken zo perfect mogelijk te maken. Als we een lichtschakelaar omdraaien of de sleutel van de auto omdraaien, we verwachten dat de lichten elke keer gaan branden en dat de motor start, met slechts zeldzame uitzonderingen. Ze hebben dit gedaan door een ontwerpproces van bovenaf te gebruiken in combinatie met de toepassing van grote hoeveelheden energie om de betrouwbaarheid te vergroten door natuurlijke variabiliteit te onderdrukken.

Echter, deze brute-force-aanpak zal niet werken in de wereld op nanoschaal die wetenschappers beginnen te onderzoeken bij het zoeken naar nieuwe elektrische en mechanische apparaten. Dat komt omdat objecten op deze schaal zich op een fundamenteel andere manier gedragen dan objecten op grotere schaal, argumenteren Peter Cummings, John R. Hall Professor Chemical Engineering aan de Vanderbilt University, en Michael Simpson, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Tennessee, Knoxville, in een artikel in het aprilnummer van de ACS Nano logboek.

Het bepalende verschil tussen het gedrag van grootschalige en nanoschaal objecten is de rol die "ruis" speelt. Voor wetenschappers is geluid niet beperkt tot onaangename geluiden; het is elke vorm van willekeurige verstoring. Op het niveau van atomen en moleculen, geluid kan de vorm aannemen van willekeurige beweging, die zo domineert dat het uiterst moeilijk is om betrouwbare apparaten te maken.

Natuur, echter, is erin geslaagd om uit te vinden hoe deze fluctuaties in het werk kunnen worden gesteld, waardoor levende organismen betrouwbaar en veel efficiënter kunnen werken dan vergelijkbare door de mens gemaakte apparaten. Het heeft dit gedaan door gebruik te maken van het tegendraadse gedrag dat willekeurig gedrag mogelijk maakt.

"Contrair beleggen is een strategie om te winnen op de aandelenmarkt, "Cummings zei, "maar het kan ook een fundamenteel kenmerk zijn van alle natuurlijke processen en de sleutel vormen tot veel verschillende verschijnselen, inclusief het vermogen van het humaan immunodeficiëntievirus om moderne medicijnen te weerstaan."

In hun krant Cummings en Simpson beweren dat in een bepaalde populatie, willekeurige fluctuaties - de "ruis" - zorgen ervoor dat een kleine minderheid zich op een manier gedraagt ​​die in strijd is met de meerderheid en kan de groep helpen om te reageren op veranderende omstandigheden. Op deze manier, minder perfectie kan juist goed zijn voor het geheel.

Cellen nabootsen

In het Oak Ridge National Laboratory, waar de twee onderzoekers werken, ze onderzoeken dit basisprincipe door een combinatie van het creëren van virtuele simulaties en het construeren van fysieke celimitaties, synthetische systemen die op biologische schaal zijn geconstrueerd en die enkele celachtige kenmerken vertonen.

"In plaats van te proberen perfecte beslissingen te nemen op basis van imperfecte informatie, de cel speelt de kansen met een belangrijke wending:het dekt zijn weddenschappen af. Zeker wel, de meeste cellen zullen weddenschappen plaatsen op de waarschijnlijke winnaar, maar een paar belangrijke zullen hun geld op de lange termijn zetten, Simpson zei. Dat is de les van de natuur, waar een bescheiden bacteriële cel met een factor 100 miljoen beter presteert dan onze beste computerchips, en het doet dit gedeeltelijk door minder dan perfect te zijn."

De leiding van de natuur volgen betekent de rol van het toeval begrijpen. Bijvoorbeeld, bij het aids-virus, de meeste geïnfecteerde cellen worden gedwongen nieuwe virussen te produceren die andere cellen infecteren. Maar een paar van de geïnfecteerde cellen brengen het virus in een slapende toestand die aan detectie ontsnapt.

"Als tikkende bommen, deze sluimerende infecties kunnen enige tijd later actief worden, en het zijn deze tegendraadse gebeurtenissen die de belangrijkste factor zijn die de uitroeiing van aids voorkomt, ' zei Simpson.

"Onze technologie heeft tegen deze kans gevochten met behulp van een brute force-benadering die veel stroom verbruikt, " zei Cummings. Als gevolg hiervan, een van de factoren die de bouw van krachtigere computers beperken, is de netvernietigende hoeveelheid energie die ze nodig hebben.

Maar bovenop de kasten van deze supercomputers, koesteren in de hitte die wordt gegenereerd in de strijd om het toevalselement te onderdrukken, de nederige bacteriën wijzen ons een andere weg.