Alle machines zetten de ene vorm van energie om in een andere vorm, bijvoorbeeld een automotor zet de energie die in brandstof is opgeslagen om in kinetische energie. Die processen van energieomzetting, beschreven door thermodynamica, vinden niet alleen plaats op macroniveau van grote machines, maar ook op microniveau van moleculaire machines die spieren of metabolische processen aandrijven en zelfs op atomair niveau. Het onderzoeksteam van Prof. Massimiliano Esposito van de Universiteit van Luxemburg bestudeert de thermodynamica van kleine nanomachines die uit slechts enkele atomen bestaan. In een paper gepubliceerd in Fysieke beoordeling X , ze schetsen hoe deze kleine machines zich in overleg gedragen. Hun inzichten kunnen worden gebruikt om de energie-efficiëntie van allerlei machines te verbeteren, groot of klein.

Recente vooruitgang in nanotechnologie heeft onderzoekers in staat gesteld de wereld op steeds kleinere schaal te begrijpen, en maakt zelfs het ontwerp en de fabricage van extreem kleine kunstmatige machines mogelijk. "Er zijn aanwijzingen dat deze machines veel efficiënter zijn dan grote machines, zoals auto's. Maar in absolute termen, de output is laag in vergelijking met de behoeften die we hebben in toepassingen in het dagelijks leven, " legt Tim Herpich uit, doctoraat student bij Esposito's onderzoeksgroep en hoofdauteur van het artikel. "Daarom hebben we onderzocht hoe de nanomachines met elkaar omgaan en hebben we gekeken naar hoe ensembles van die kleine machines zich gedragen. We wilden zien of er synergieën zijn wanneer ze samenwerken."

De onderzoekers ontdekten dat de nanomachines, onder bepaalde omstandigheden, beginnen te rangschikken in "zwermen" en synchroniseren hun bewegingen. "We konden aantonen dat de synchronisatie van de machines aanzienlijke synergie-effecten veroorzaakt, zodat de totale energie-output van het ensemble veel groter is dan de som van de individuele outputs, " zei prof. Esposito. Hoewel dit fundamenteel onderzoek is, de principes die in het document worden beschreven, kunnen mogelijk worden gebruikt om de efficiëntie van elke machine in de toekomst te verbeteren, legt de onderzoeker uit.

Om het energetische gedrag van zwermen nanomachines te simuleren en te bestuderen, de wetenschappers creëerden wiskundige modellen die gebaseerd zijn op bestaande literatuur en resultaten van experimenteel onderzoek.