Ein Forscherteam um Prof. Massimiliano Esposito an der Universität Luxemburg hat die thermodynamischen Abläufe winziger Nanomaschinen untersucht.
Alle Maschinen wandeln eine Form von Energie in eine andere Form um. So wandelt zum Beispiel ein Automotor die im Kraftstoff gespeicherte Energie in Bewegungsenergie um. Diese Prozesse der Energieumwandlung, die von der Theorie der Thermodynamik beschrieben werden, finden nicht nur auf der Makroebene großer Maschinen statt. Man findet sie auch auf der Mikroebene molekularer Maschinen, die für Muskelbewegungen oder Stoffwechselvorgänge verantwortlich sind, und sogar auf der atomaren Ebene. Ein Forscherteam um Prof. Massimiliano Esposito an der Universität Luxemburg untersucht die thermodynamischen Abläufe winziger Nanomaschinen, die nur aus ein paar Atomen bestehen. In einem Beitrag, der in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review X veröffentlicht wurde, beschreiben sie, wie sich diese kleinen Maschinen verhalten, wenn sie in Schwärmen agieren. Ihre Erkenntnisse könnten zukünftig bei der Verbesserung der Energieeffizienz von Maschinen aller Art zum Einsatz kommen – egal, ob groß oder klein.
Die jüngsten Fortschritte in der Nanotechnologie haben Forscher in die Lage versetzt, die Welt in immer kleineren Dimensionen zu verstehen und sogar extrem kleine künstliche Maschinen zu entwickeln und herzustellen. „Es gibt Anzeichen dafür, dass diese Maschinen weitaus effizienter funktionieren als große Maschinen, wie beispielsweise Autos. Absolut gesehen ist der Output im Vergleich zu den Anforderungen von Anwendungen des täglichen Lebens jedoch eher gering“, erläutert Tim Herpich, Doktorand in Espositos Forschungsgruppe und Hauptautor des Beitrags. „Darum haben wir erforscht, wie Nanomaschinen miteinander interagieren, und haben uns genauer angeschaut, wie sich Ansammlungen dieser kleinen Maschinen verhalten. Wir wollten herausfinden, ob es Synergieeffekte gibt, wenn sie gemeinsam agieren.”
Die Forscher fanden heraus, dass sich die Nanomaschinen unter gewissen Bedingungen zu „Schwärmen“ zusammenschließen und ihre Bewegungen synchronisieren. “Wir konnten zeigen, dass die Synchronisierung der Maschinen erhebliche Synergieeffekte hervorbringt. Der Energie-Output des Zusammenschlusses ist weitaus größer als die Summe der einzelnen Outputs“, so Professor Esposito. Es handelt sich zwar noch um Grundlagenforschung, aber die im Beitrag skizzierten Prinzipien könnten in Zukunft dazu genutzt werden, die Effizienz jeder beliebigen Maschine zu verbessern, erklärt der Forscher.
Um das energetische Verhalten der Nanomaschinen-Schwärme zu simulieren und zu studieren, entwickelten die Wissenschaftler mathematische Modelle, die auf bereits vorhandener Literatur und Ergebnissen der experimentellen Forschung basieren.