Mini Nanomakinalar İçin Dev Enerji Tasarrufu »BilimFili.com
Simon Fraser Üniversitesi (SFU) araştırmacılarından Fizik profesörü David Sivak önderliğindeki araştırma ekibi, ilk kez nanomakinalar diyebileceğimiz mekanik moleküllerin enerjilerinin tasarrufu ve ve..
Görsel Telif: © alice_photo
Simon Fraser Üniversitesi (SFU) araştırmacılarından Fizik profesörü David Sivak önderliğindeki araştırma ekibi, ilk kez nanomakinalar diyebileceğimiz mekanik moleküllerin enerjilerinin tasarrufu ve veriminin maksimize edilmesini manipüle etmeyi sağlayacak bir strateji geliştirdi ve yayımladı.
Tüm canlılar, kendilerini canlı olarak nitelememizi sağlayan bir takım yaşamsal aktiviteler gerçekleştirmektedir. Bu işlevlere moleküler düzeyde bakılacak olursa, tüm aktivitelerin moleküler ve mekanik altyapıları olduğu anlaşılacaktır. İşte hepimiz tüm bu işlevleri gerçekleştirecek sayısız mini moleküler nanomakinalar barındırırız.
Mevcut araştırmadaki keşfin ve sonuçlarının çığır açıcı nitelikte olduğu ve enerji yenilenmeleri için güneş enerjisi santralleri veya daha verimli bilgisayar çipleri gibi birçok uygulama alanında olumlu etkileri olabileceği bekleniyor.
Nanomakinalar gerçekten çok küçük boyutlarda -tanım icabı metrenin milyarda biri- olduklarından çok hızlı bir şekilde oldukça karmaşık ve girift yapılı işlevleri gerçekleştirebiliyorlar. Bu işlevlerin arasında da bir hücrenin içinde veya hücre dışı ortamda molekülleri taşımak gibi motor aktivitelerden, genetik bilginin yazılıp okunmasına kadar birçok çetrefilli iş bulunuyor.
Moleküler nanomakinalar bu görevleri yerine getirirken oldukça küçük bir enerji tüketirler. Bu nedenle Sivak, bu mikroskobik makinaların nasıl işlev gördüğünü ve bozuldukları veya düzgün çalışmadıkları zaman ne olduğunu daha iyi anlamımızı sağlayacak bir enerji verimliliklerini teorize ettiklerini belirtti.
Laboratuvar ortamında, araştırmacılar DNA iplikçiklerine müdahale ederek, manipülasyonları ile enerji verimliliklerine dair veriler elde etmeye çalıştı. DNA moleküllerinin kullanılmış olmasının nedeni bu moleküllerin kendi kendilerine dolanık hale gelip açılmaları, daha karmaşık moleküler makinalarınkine oldukça benzemesidir.
Sivak’ın teorisi ile tutarlı biçimde veriler, DNA’nın kıvrılmış halde iken hızlıca iğnecik haline geldiği ancak kıvrılmak üzere iken bunun çok yavaş gerçekleştiğini dolayısıyla, kıvrılmış halde iken açılmada maksimum verimlilik ve minimum enerji tüketiminin ortaya çıktığını gösterdi.
DNA iplikçikleri (saç tokası veya firkete gibi katlı moleküler yapılar olarak düşünülebilir) çok küçük ve konumununu ve de durumunu hızlıca değiştirebilen nanomakinelerdir. Çevrelerindeki moleküller ve materyaller ile çarpışarak etkileşime girerek hızlıca tepki veren bu moleküler ‘cihazlar’ bize enerji verimliliği ile ilgili oldukça önemli bilgiler veriyor.
Bir saç tokasını açıp tamamen eski haline getirmek için harcayacağınız gücü ve enerjiyi düşünün. Bu moleküller için etraflarına tepki vererek ve çevreleri ile tepkimeye girerek kendileri bu süreci gerçekleştiriyor olmaları hem zaman hem de büyük bir enerji tasarrufu sağlıyor.
Sivak’a göre artık bir sonraki aşama teoriyi operasyonel döngüleri boyunca bu moleküler makinaların gerektirdiği enerjiyi daha da düşürerek yönetmemizi sağlayacak biçimde uygulayabilmek olacak.
Nanomakinaların enerji verimliliklerinde bu düzeydeki bir artışının sağlanmasının, birçok uygulama alanı ve teknoloji ürününde çığır açıcı değişimler getirebileceği düşünülüyor.
Bilgisayar çipleri ve hafıza kartları başta olmak üzere, güç gerekliliğini ve yaydıkları ısıyı azaltarak verimlilikleri oldukça ileri seviyelere çıkartılması ve hatta buna ek olarak biyomoleküler makinaların otonomi özellikleri baz alınarak ilaçların hedef dokuya iletilmesini sağlayacak biyoteknoloji ürünlerinin geliştirilmesi ve yapay fotosentez gibi süreçlerden yararlanıp daha iyi yenilenebilir enerji materyallerinin geliştirilebilmesi tüm bu araştırmalar ile mümkün olabilir.
Sara Tafoya, Steven J. Large, Shixin Liu, Carlos Bustamante, David A. Sivak. Using a system’s equilibrium behavior to reduce its energy dissipation in nonequilibrium processes. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019; 116 (13): 5920 https://www.pnas.org/content/116/13/5920
Diane Mar-Nicolle, Simon Fraser University Website, 21 Mayıs 2019, Big energy savings for tiny machines http://www.sfu.ca/sfunews/stories/2019/05/big-energy-savings-for-tiny-machines.html