I ricercatori hanno compiuto un passo avanti rivoluzionario nello sviluppo di un motore molecolare in grado di convertire il movimento in lavoro utile. Questa scoperta apre nuove frontiere per l’efficienza energetica e la comprensione dei sistemi biologici.
Come funziona il motore molecolare?
I recenti progressi tecnologici hanno consentito ai professori di fisica della SFU, John Bechhoefer e David Sivak, di creare un motore di informazioni operative, esplorandone il potenziale per sfruttare l’energia molecolare inutilizzata. La loro ricerca, supportata dal Foundational Questions Institute, non solo ha fornito spunti per migliorare l’efficienza energetica, ma ha anche ampliato la nostra comprensione dei motori biologici. Le scoperte del team, che evidenziano la possibilità di convertire il movimento molecolare in lavoro utilizzabile, potrebbero rivoluzionare l’utilizzo dell’energia e la progettazione dei motori.
Le molecole che compongono la materia che ci circonda sono in costante movimento. E se potessimo sfruttare quell’energia e metterla in pratica?
Oltre 150 anni fa, James Clerk Maxwell, fisico e matematico britannico, ha ipotizzato che se fosse stato possibile misurare con precisione il movimento delle molecole, questa informazione avrebbe potuto essere sfruttata per alimentare un motore. All’epoca, questa idea è stata considerata un semplice esperimento mentale, un’ipotesi futuristica che sembrava appartenere al regno della fantascienza.
Grazie alle straordinarie conquiste tecnologiche degli ultimi anni, la visione di Maxwell sta finalmente prendendo forma. I ricercatori sono riusciti a costruire un motore molecolare funzionante in laboratorio, trasformando un’idea rivoluzionaria in una realtà tangibile. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Advances in Physics.
Motore molecolare: verso un futuro più efficiente
Bechhoefer ha dichiarato: “Viviamo in un mondo pieno di energia extra inutilizzata che potenzialmente potrebbe essere utilizzata. Comprendere come funzionano un motore molecolare non solo può aiutarci a mettere al lavoro quell’energia, ma può anche suggerire modi in cui i motori esistenti potrebbero essere riprogettati in modo più efficiente e aiutarci a capire come funzionano i motori biologici negli organismi e nel corpo umano”.
Il motore molecolare del team è costituito da una minuscola perla immersa in un bagno d’acqua e tenuta in posizione da una trappola ottica. Quando le fluttuazioni dell’acqua fanno sì che la perla si muova nella direzione desiderata, la trappola può essere regolata per evitare che la perla ritorni nel punto in cui si trovava prima. Effettuando misurazioni accurate della posizione della perla e utilizzando tali informazioni per regolare la trappola, il motore è in grado di convertire l’energia termica dell’acqua in lavoro.
Per capire quanto veloce ed efficiente potesse essere il motore molecolare, il team ha testato molteplici variabili come la massa della pallina e la frequenza di campionamento, e ha sviluppato algoritmi per ridurre l’incertezza delle misurazioni.
Sivak ha aggiunto: “Ridotto alla sua essenza più semplice, possiamo capire sistematicamente come fattori come la temperatura e le dimensioni del sistema cambiano le cose di cui possiamo trarre vantaggio. Quali sono le strategie che funzionano meglio? Come cambiano con tutte quelle diverse proprietà?
Motore molecolare supera E. coli in velocità
Il team è riuscito a raggiungere la velocità più elevata registrata fino ad oggi per un motore molecolare, circa dieci volte più veloce della velocità dell’E .coli il batterio modello più studiato in biologia. Per mettere in prospettiva questa straordinaria prestazione, basti pensare che la velocità del motore è paragonabile a quella dei batteri mobili presenti negli ambienti marini, noti per la loro rapidità e agilità.
Dopo aver raggiunto un traguardo eccezionale in termini di velocità, il team di ricercatori ha deciso di spingersi oltre, ponendosi un’ambiziosa sfida: verificare se un motore molecolare potesse effettivamente raccogliere più energia di quanta ne consuma per funzionare.
Hanno scoperto che in un ambiente non in equilibrio, dove il motore era in un bagno di calore con una temperatura più elevata rispetto all’apparato di misurazione, poteva produrre una potenza significativamente maggiore di quanto costava funzionare.
Tutta l’energia sulla Terra proviene dal Sole e alla fine si irradia nello spazio. Quel flusso direzionale di energia si manifesta in molti modi diversi, come il vento o le correnti oceaniche che possono essere raccolte. Comprendere i principi alla base del motore molecolare può aiutarci a utilizzare meglio tale energia.
Il professor Bechhoefer ha spiegato: “Stiamo affrontando il problema della raccolta di energia da un punto di vista completamente nuovo. Questa prospettiva inedita ci consentirà di sviluppare intuizioni innovative per migliorare l’efficienza di questo processo.”
Entrambi i ricercatori sono entusiasti di poter continuare a collaborare su nuovi progetti in futuro. La combinazione delle competenze teoriche del professor Sivak e dell’esperienza sperimentale del professor Bechhoefer ha dato vita a un team vincente. Il loro approccio complementare ha attratto numerosi tirocinanti desiderosi di lavorare con entrambi i ricercatori.
Il motore molecolare rappresenta un’innovazione rivoluzionaria con il potenziale di trasformare diversi settori della nostra vita. La ricerca in questo campo è ancora in fase iniziale, ma le potenziali applicazioni sono immense e promettono un futuro ricco di nuove scoperte e innovazioni.
