Een nieuwe studie bepaalt de efficiëntie van een warmtemotor met één molecuul door een reeks ratelmechanismen te beschouwen die energie over een netwerk overbrengen.

Van verbrandingsmotoren tot huishoudelijke koelkasten, warmtemotoren zijn een alomtegenwoordig onderdeel van het dagelijks leven. Deze machines zetten warmte om in bruikbare energie die vervolgens kan worden gebruikt om werk te doen. Warmtemotoren kunnen zo klein zijn als een enkel molecuul waarvan de willekeurige bewegingen energie uitwisselen met de omgeving. Maar het bepalen van de efficiëntie van een moleculaire warmtemotor is geen eenvoudige taak.

In een studie gepubliceerd in The European Physical Journal B Mesfin Asfaw Taye, van West Los Angeles College, Californië, VS, berekent nu de prestaties van een moleculaire warmtemotor in termen van een reeks moleculaire ratelmechanismen die energie stapsgewijs in één richting overbrengen. Hij laat zien en bespreekt hoe je een dergelijk systeem kunt manipuleren om een ​​deeltje langs een complex pad te transporteren.

Taye en zijn collega's hebben eerder het concept van een "Browniaanse ratel" gebruikt om de snelheid, efficiëntie en algehele prestaties van een moleculaire warmtemotor te berekenen. Hier verandert een deeltje (de motor) van positie door thermische beweging volgens een mechanisme dat een anders willekeurig bewegend object dwingt om slechts in één richting te reizen.

Nu bieden Taye en zijn groep een complete analytische oplossing voor hun modelvergelijkingen, waarmee ze op elk moment de prestaties van het systeem kunnen berekenen. Door dit te doen, kunt u onderzoeken hoe de ratelregeling de efficiëntie en snelheid van de motor beïnvloedt. Ze laten ook zien dat een motor die in een warmtebad werkt met een geleidelijk afnemende temperatuur kan leiden tot een hogere snelheid maar een lager rendement vergeleken met een systeem met vaste warme en koude baden – nog een hulpmiddel om de beweging van de motor te manipuleren.

Deze bevinding biedt een raamwerk voor het bestuderen van de thermodynamische kenmerken van op eiwitten gebaseerde moleculaire motoren en andere systemen op micro- en nanoschaal waarvan bekend is dat ze chemische energie omzetten in mechanische beweging. Het biedt een manier om een ​​deeltje naar een gewenste locatie in een netwerk te transporteren met een snelheid die afhankelijk is van de opstelling van de ratels.

Meer informatie: Mesfin Asfaw Taye, Tijdsafhankelijke oplossingen voor efficiëntie en snelheid van een Brownse warmtemotor die werkt in een tweedimensionaal rooster gekoppeld aan een niet-uniforme thermische achtergrond, The European Physical Journal B (2023). DOI:10.1140/epjb/s10051-023-00533-y

Journaalinformatie: Europees fysiek tijdschrift B

Aangeboden door Springer