Enxames de nanomáquinas podem melhorar eficiência de qualquer máquina

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/11/2018

As esferas representam as nanomáquinas. A potência aumenta de vermelho para azul, sendo maximizada durante a fase de sincronização, correspondente à área delimitada pelas linhas brancas tracejadas.
[Imagem: Universidade de Luxemburgo]

Energia das nanomáquinas

Todas as máquinas convertem uma forma de energia em outra - por exemplo, um motor de carro transforma a energia armazenada no combustível em energia de movimento.

Esses processos de conversão de energia, descritos pela teoria chamada termodinâmica, não ocorrem apenas no nível macro das grandes máquinas, mas também nos níveis micro e nano das máquinas moleculares que impulsionam os músculos ou processos metabólicos, até mesmo no nível atômico.

A novidade é que pode ser possível tirar proveito da termodinâmica das nanomáquinas, aproveitando-as para extrair trabalho útil em escala humana.

Não deixa de ser surpreendente, uma vez que já se sabe que a termodinâmica em escala atômica é bem diferente de tudo a que estamos acostumados, além do que parece haver várias Segundas Leis da Termodinâmica em nanoescala.

"Há evidências de que essas máquinas são muito mais eficientes do que máquinas grandes, como carros. No entanto, em termos absolutos, a saída [de energia] é baixa em comparação com as necessidades que temos nas aplicações da vida cotidiana," explica o pesquisador Tim Herpich, da Universidade de Luxemburgo. "É por isso que estudamos como as nanomáquinas interagem umas com as outras e analisamos como conjuntos dessas pequenas máquinas se comportam. Queríamos ver se há sinergias quando elas agem em conjunto."

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Potência coletiva

Herpich e seus colegas descobriram que as pequenas máquinas em escala nano criam o que eles chamam de "potência coletiva" quando trabalham em conjunto, de forma integrada. E essa sinergia poderá ser usada no futuro para melhorar a eficiência energética de todos os tipos de máquinas, grandes ou pequenas, afirmam eles.

O que ocorre é que, nas condições adequadas, as nanomáquinas começam a organizar "enxames" e sincronizam seus movimentos.

As máquinas moleculares poderão ser postas para trabalhar conjuntamente para extração de trabalho útil em escala macro.
[Imagem: Jean W. Fredy et al. - 10.1073/pnas.1711184114]

"Conseguimos mostrar que a sincronização das máquinas dispara efeitos de sinergia significativos, de modo que a produção total de energia do conjunto é muito maior do que a soma das saídas individuais," disse o professor Massimiliano Esposito.

O modelo é composto por máquinas brownianas de três estados, pequenos dispositivos movidos por flutuações térmicas. Quando são levados por uma força para longe do equilíbrio, o sistema sincroniza e então transita para um estado multiestável.

A emergência desse comportamento coletivo complexo resulta da estabilização dos estados metaestáveis quando há um grande número de máquinas, escreve a equipe.

Embora seja uma pesquisa básica, o princípio da potência coletiva poderá ser usado para melhorar a eficiência de qualquer máquina no futuro, garante Herpich.

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