Modello per l'accumulo di energia e sintesi guidata. Senza (risp. con) la transizione tratteggiata arancione, la rete di reazioni chimiche modella l'accumulo di energia (rispettivamente sintesi guidata). La specie ad alta energia A2A2 è a bassa concentrazione all'equilibrio. L'alimentazione del sistema mediante la chemiostatazione delle specie di combustibile (FF) e di rifiuto (WW) aumenta la formazione di A2A2 dal monomero MM tramite le specie attivate M2M2 e A∗2A2∗. a La rete di reazione chimica (i flussi diretti sono definiti in senso antiorario). Credito: Comunicazioni sulla natura (2019). DOI:10.1038/s41467-019-11676-x
I fisici dell'Università del Lussemburgo hanno sviluppato strumenti teorici per analizzare e ottimizzare i motori chimici che vanno da semplici reti di reazioni chimiche a percorsi metabolici complessi.
La carta, "Efficienza termodinamica nella chimica dissipativa, " riporta i risultati della ricerca condotta dal Prof. Massimiliano Esposito, Dott. Riccardo Rao e Ph.D. lo studente Emanuele Penocchio della Facoltà di Scienze, Tecnologia e comunicazione presso l'Università del Lussemburgo. È stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura .
Termodinamica, la branca della fisica che si occupa della conversione dell'energia e dei suoi limiti, nato nel tentativo di migliorare l'efficienza dei motori meccanici come i motori a vapore oa combustione. Nella teoria standard, le leggi termodinamiche non sono mai state applicabili alla caratterizzazione delle prestazioni di piccoli motori chimici come le cellule viventi.
Nei motori meccanici, la massima efficienza non coincide mai con la massima potenza. L'efficienza di un'auto varia a seconda della velocità. Se guidato veloce a piena potenza, l'efficienza alla massima potenza è solitamente molto bassa.
Le cose sono diverse nel mondo delle molecole, come Prof. Esposito, Il dottor Rao e il signor Penocchio hanno scoperto. I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per applicare i principi della termodinamica ai sistemi chimici. Questi risultati potrebbero rivelarsi utili nella bioingegneria o nelle nanotecnologie in futuro.
La ricerca ha compiuto un passo verso la valutazione del costo termodinamico per costruire e mantenere in funzione una cella. Ad esempio:quanta energia viene sprecata nel cibo consumato da una cellula, e quanto se ne usa a livello chimico? I risultati registrano le condizioni in cui i sistemi lavorano contemporaneamente alla massima efficienza e alla massima potenza.
"Di solito supponiamo che la natura sia molto efficiente grazie alle ere dell'evoluzione. Quantificando le efficienze di varie operazioni chimiche in diversi organismi, potremmo essere in grado di mettere quel tipo di idee su un terreno più solido un giorno, contribuendo così a una migliore comprensione dei sistemi biologici. Questo studio fornisce la base per futuri studi sulle prestazioni e per la progettazione ottimale in chimica. Ora possiamo rispondere a domande sull'efficienza di qualsiasi operazione eseguita da un sistema chimico aperto, "dice il prof. Esposito.
