Brownscher Motor - Brownian motor

Dieser Artikel behandelt Brownsche Motoren als molekulare Maschinen. Für die physikalischen Phänomene und die Theorie siehe Brownsche Bewegung .
Teil einer Artikelserie über
Molekulare
Nanotechnologie
Kinesin , ein Beispiel für einen molekularen Motor , der ATP verwendet , um entlang von Nanotubuli zu "laufen" , gilt heute als Beispiel für einen Brownschen Motor.

Brownsche Motoren sind nanoskalige oder molekulare Maschinen , die chemische Reaktionen verwenden , um eine gerichtete Bewegung im Raum zu erzeugen. Die Theorie hinter Brownschen Motoren beruht auf dem Phänomen der Brownschen Bewegung , einer zufälligen Bewegung von Partikeln, die in einer Flüssigkeit (einer Flüssigkeit oder einem Gas ) suspendiert sind, die aus ihrer Kollision mit den sich schnell bewegenden Molekülen in der Flüssigkeit resultiert .

Auf der Nanoskala (1-100 nm) dominiert die Viskosität die Trägheit , und das extrem hohe thermische Rauschen in der Umgebung macht eine konventionelle gerichtete Bewegung nahezu unmöglich, da die Kräfte, die diese Motoren in die gewünschte Richtung treiben, im Vergleich zu den zufälligen winzig sind Kräfte, die von der Umgebung ausgeübt werden. Brownsche Motoren arbeiten speziell, um dieses hohe Niveau an Zufallsgeräuschen zu nutzen , um eine gerichtete Bewegung zu erreichen, und sind als solche nur auf der Nanoskala realisierbar .

Das Konzept der Brownschen Motoren ist neu und wurde erst 1995 von Peter Hänggi geprägt , aber die Existenz solcher Motoren in der Natur könnte schon sehr lange existieren und helfen, entscheidende zelluläre Prozesse zu erklären , die eine Bewegung auf der Nanoskala erfordern . wie Proteinsynthese und Muskelkontraktion . Wenn dies der Fall ist, können Brownsche Motoren Auswirkungen auf die Grundlagen des Lebens selbst haben.

In neuerer Zeit haben Menschen versucht, dieses Wissen über natürliche Brownsche Motoren anzuwenden, um menschliche Probleme zu lösen. Die Anwendungen von Brownschen Motoren sind in der Nanorobotik aufgrund ihrer inhärenten Abhängigkeit von gerichteter Bewegung am offensichtlichsten .

Geschichte

20. Jahrhundert

Dies ist eine Simulation der Brownschen Bewegung eines großen Teilchens (Staubteilchen), das mit einer großen Menge kleinerer Teilchen (Gasmoleküle) kollidiert, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in verschiedene zufällige Richtungen bewegen.
Der Ort der Solitaires

 Lass den Ort der Solitärs
 ein Ort der ständigen Wogen sein.

 Ob mitten im Meer,
 auf dem dunklen grünen Wasserrad,
 oder an den Stränden,
 Es darf kein Aufhören
 der Bewegung oder des Geräusches der Bewegung geben,
 Die Erneuerung des Geräusches
 Und mannigfaltige Fortsetzung;

 Und die meisten der Gedankenbewegung
 Und ihrer rastlosen Wiederholung,

 An der Stelle der Solitaires,
 die ein Ort ständiger Wogen sein sollen.

Wallace Stevens (1879-1955).

Der Begriff „Brownscher Motor“ wurde ursprünglich 1995 vom Schweizer theoretischen Physiker Peter Hänggi erfunden . Der Brownsche Motor wurde ebenso wie die seiner Theorie zugrunde liegenden Phänomene der Brownschen Bewegung nach dem schottischen Botaniker Robert Brown aus dem 19. Jahrhundert benannt , der beim Durchsehen ein Mikroskop auf Pollen der Pflanze Clarkia pulchella in Wasser getaucht, beschrieben berühmt die zufällige Bewegung von Pollenpartikeln in Wasser in 1827. im Jahr 1905, später fast 80 Jahre, theoretischer Physiker Albert Einstein veröffentlichte ein Papier , wo er die Bewegung des Pollens modellierte von einzelnen Wassermolekülen bewegt wird , was 1908 von Jean Perrin experimentell bestätigt wurde , der 1926 den Nobelpreis für Physik "für seine Arbeiten über die diskontinuierliche Struktur der Materie" erhielt. Diese Entwicklungen trugen dazu bei, die Grundlagen der gegenwärtigen Theorien der nanoskaligen Welt zu schaffen.

Die Nanowissenschaften sind traditionell lange Zeit an der Schnittstelle der physikalischen Wissenschaften Physik und Chemie geblieben , aber neuere Entwicklungen in der Forschung positionieren sie zunehmend außerhalb des Rahmens eines dieser beiden traditionellen Gebiete.

21. Jahrhundert

Im Jahr 2002 veröffentlichte Dean Astumian, Professor für Physik an der University of Maine in Orono , und Peter Hänggi , Professor für Theoretische Physik , einen wegweisenden Artikel über Brownsche Motoren in der Zeitschrift Physics Today des American Institute of Physics , "Brownian Motors". an der Universität Augsburg , Deutschland . Dort schlugen sie das damals neuartige Konzept der Brownschen Motoren vor und postulierten, dass "thermische Bewegung in Kombination mit zugeführter Energie eine Kanalisierung des Zufalls bewirkt, die verwendet werden kann, um die Kontrolle über mikroskopische Systeme auszuüben". Astumian und Hänggi liefern in ihrem Aufsatz eine Kopie von Wallace Stevens ' Gedicht The Place of the Solitaries aus dem Jahr 1919 , um die unaufhörliche Natur des Lärms aus einer abstrakten Perspektive elegant zu illustrieren.

Inspiriert von dem faszinierenden Mechanismus, durch den sich Proteine ​​im Angesicht von thermischem Rauschen bewegen, arbeiten viele Physiker daran, molekulare Motoren im mesoskopischen Maßstab zu verstehen. Eine wichtige Erkenntnis aus dieser Arbeit ist, dass thermisches Rauschen in einigen Fällen eine gerichtete Bewegung unterstützen kann, indem es einen Mechanismus zur Überwindung von Energiebarrieren bereitstellt. In diesen Fällen spricht man von „Brownschen Motoren“. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf mehrere Beispiele, die einige prominente zugrunde liegende physikalische Konzepte hervorheben, die entstanden sind. Aber zuerst stellen wir fest, dass auch Dichter vom Lärm fasziniert waren; siehe Kasten 1.

...

In der mikroskopischen Welt: „Es darf kein Aufhören / der Bewegung oder des Bewegungsgeräusches geben“ (Kasten 1). Anstatt dagegen anzukämpfen, nutzen Brownsche Motoren das unaufhörliche Geräusch, um Partikel effizient und zuverlässig zu bewegen.

—  Dean Astumian und Peter Hänggi, "Brownian Motors"

Ein Jahr nach der Veröffentlichung von Astumian-Hänggi berichtete die organische Chemiegruppe von David Leigh über die ersten künstlichen molekularen Brownschen Motoren. Im Jahr 2007 berichtete dasselbe Team über eine von Maxwell's Demon inspirierte molekulare Informationsratsche.

Eine weitere wichtige Demonstration von Nanoengineering und Nanotechnologie war der Bau eines praktischen künstlichen Brownschen Motors von IBM im Jahr 2018. Konkret wurde eine Energielandschaft geschaffen, indem ein nanofluidischer Spalt genau geformt wurde , und dann wurden alternative Potenziale und ein oszillierendes elektrisches Feld verwendet, um zu „rocken“. Nanopartikel , um eine gerichtete Bewegung zu erzeugen. Das Experiment brachte die Nanopartikel erfolgreich dazu, sich entlang einer Spur in Form des Umrisses des IBM-Logos zu bewegen, und dient als wichtiger Meilenstein in der praktischen Anwendung von Brownschen Motoren und anderen Elementen auf der Nanoskala .

Der Sydney Nanoscience Hub , eine zweckgebundene Einrichtung im Wert von 150 Millionen AU$ für Forschung und Bildung im Nanomaßstab.

Darüber hinaus sind verschiedene Institutionen weltweit, wie das University of Sydney Nano Institute mit Sitz am Sydney Nanoscience Hub (SNH) und das Swiss Nanoscience Institute (SNI) an der Universität Basel Beispiele für die in der Bereich der Nanowissenschaften. Brownsche Motoren bleiben ein zentrales Konzept sowohl für das Verständnis natürlicher molekularer Motoren als auch für den Bau nützlicher nanoskaliger Maschinen mit gerichteter Bewegung.

Die Nanowissenschaftsforschung des Swiss Nanoscience Institute (SNI) konzentriert sich auf Bereiche mit potenziellem Nutzen für die Life Sciences, Nachhaltigkeit sowie Informations- und Kommunikationstechnologien. Ziel ist es, Phänomene im Nanomaßstab zu erforschen und neue zukunftsweisende Prinzipien zu identifizieren und anzuwenden. Dabei tauchen Forscher in die Welt der einzelnen Atome und Moleküle ein. Auf dieser Ebene verschmelzen die klassischen Disziplinen Physik, Biologie und Chemie zu einer Einheit. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit verschiedener Wissenschaftszweige und Institutionen ist daher ein wesentlicher Bestandteil der täglichen Arbeit des SNI.

—  Swiss Nanoscience Institute, Website der Universität Basel

Theorie

Das Ratschenmodell dient als theoretische Untermauerung des Brownschen Motors.

Das thermische Rauschen auf der Nanoskala ist so groß, dass eine Bewegung in eine bestimmte Richtung so schwierig ist wie „in einem Hurrikan zu gehen “ oder „in Melasse zu schwimmen “. Der theoretische Betrieb des Brownschen Motors kann durch die Ratschentheorie erklärt werden, bei der starke zufällige thermische Fluktuationen das Teilchen in die gewünschte Richtung bewegen dürfen, während Energie aufgewendet wird, um Kräften entgegenzuwirken , die eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung erzeugen würden . Diese Bewegung kann sowohl linear als auch rotatorisch sein. Im biologischen Sinne und in dem Ausmaß, in dem dieses Phänomen in der Natur auftritt, existiert dieses, da chemische Energie aus dem Molekül Adenosintriphosphat (ATP) gewonnen wird.

Die Brownsche Ratsche ist eine scheinbare Perpetuum Mobile Machine , die den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu verletzen scheint , aber später durch detailliertere Analysen von Richard Feynman und anderen Physikern entlarvt wurde . Der Unterschied zwischen echten Brownschen Motoren und fiktiven Brownschen Ratschen besteht darin, dass nur bei Brownschen Motoren Energie zugeführt wird, um die notwendige Kraft bereitzustellen , um den Motor an Ort und Stelle zu halten, um den thermischen Geräuschen entgegenzuwirken , die versuchen, den Motor in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen .

Da Brownsche Motoren auf der zufälligen Natur des thermischen Rauschens beruhen , um eine gerichtete Bewegung zu erreichen, sind sie stochastischer Natur, da sie statistisch analysiert, aber nicht genau vorhergesagt werden können.

Beispiele in der Natur

In der Biologie kann vieles von dem, was wir unter Protein- basierten molekularen Motoren verstehen, tatsächlich auch Brownsche Motoren sein. Diese molekularen Motoren erleichtern kritische zelluläre Prozesse in lebenden Organismen und sind in der Tat von grundlegender Bedeutung für das Leben selbst.

Forscher haben erhebliche Fortschritte bei der Untersuchung dieser organischen Prozesse gemacht , um Einblicke in ihr Innenleben zu gewinnen. Zum Beispiel gibt es beim Menschen molekulare Brownsche Motoren in Form von mehreren verschiedenen Arten von Proteinen . Zwei übliche biomolekulare Brownsche Motoren sind ATP-Synthase , ein Rotationsmotor, und Myosin II , ein Linearmotor. Das Motorprotein ATP-Synthase erzeugt ein Drehmoment , das die Synthese von ATP aus Adenosindiphosphat (ADP) und anorganischem Phosphat (P i ) durch die folgende Gesamtreaktion erleichtert :

ADP + P i + 3H + aus ⇌ ATP + H 2 O + 3H + ein

Im Gegensatz dazu ist das von Myosin II erzeugte Drehmoment linear und ist eine Grundlage für den Prozess der Muskelkontraktion . Zu ähnlichen Motorproteinen gehören Kinesin und Dynein , die alle durch Hydrolyse von ATP chemische Energie in mechanische Arbeit umwandeln . Viele Motorproteine in menschlichen Zellen fungieren als Brownsche Motoren, indem sie eine gerichtete Bewegung auf der Nanoskala erzeugen , und einige gängige Proteine ​​dieser Art werden durch die folgenden computergenerierten Bilder veranschaulicht .

  • Proteine, die als Brownsche Motoren in menschlichen Zellen fungieren

  • ATP-Synthase

  • Myosin II

  • Kinesin

Anwendungen

Nanorobotik

Die Bedeutung von Brownschen Motoren für die Anforderung einer gerichteten Bewegung in der Nanorobotik wird Forschern aus Wissenschaft und Industrie immer deutlicher.

Künstliche Nachbildungen von Brownschen Motoren sind von der Natur geprägt und unterscheiden sich von ihr, und ein spezifischer Typ ist der Photomotor, bei dem der Motor aufgrund von Lichtimpulsen Zustände wechselt und gerichtete Bewegungen erzeugt. Diese photomotors, im Gegensatz zu ihren natürlichen Pendants , sind anorganische und besitzen größere Effizienz und durchschnittliche Geschwindigkeit , und somit besser auf den menschlichen Gebrauch geeignet als vorhandene Alternativen, wie zum Beispiel organische Proteinmotoren.

Derzeit ist eine der sechs aktuellen „Grand Challenges“ des University of Sydney Nano Institute die Entwicklung von Nanorobotik für die Gesundheit , ein zentraler Aspekt davon ist eine „ Nanoscale Parts Foundry “, die nanoskalige Brownsche Motoren für den „ aktiven Transport im Körper“ herstellen kann “. Das Institut prognostiziert, dass unter den Implikationen dieser Forschung ein „Paradigmenwechsel“ im Gesundheitswesen „weg vom „ Break-Fix “-Modell hin zu einem Fokus auf Prävention und Frühintervention“ sei, wie im Fall von Herzerkrankungen :

Die Veränderungen auf molekularer Ebene bei frühen Herzerkrankungen treten auf der Nanoskala auf. Um diese Veränderungen zu erkennen, bauen wir nanoskalige Roboter, die kleiner als Zellen sind und die durch den Körper navigieren. Auf diese Weise können wir selbst in die engsten Blutgefäße sehen, um Fettablagerungen (atherosklerotische Plaques) zu erkennen, die den Beginn einer arteriellen Blockade signalisieren und eine Behandlung ermöglichen, bevor die Krankheit fortschreitet.

...

Die Auswirkungen dieses Projekts werden weitreichend sein. Es wird die Gesundheitsergebnisse für alle Australier mit Herzerkrankungen verbessern und die Gesundheitskosten senken. Es hat das Potenzial, anderen gesundheitlichen Herausforderungen, einschließlich Krebs, Demenz und anderen neurodegenerativen Erkrankungen, zu helfen. Es wird ein erstklassiges kollaboratives Umfeld bieten, um die nächste Generation australischer Forscher auszubilden und Innovationen und die Entwicklung neuer Industrien und Arbeitsplätze in Australien voranzutreiben.

Professor Paul Bannon, ein erwachsener Herz-Thorax-Chirurg von internationalem Rang und führender medizinischer Forscher , fasst die Vorteile der Nanorobotik für die Gesundheit zusammen.

Wenn ich mich im Körper verkleinern könnte... könnte ich mit 25 Jahren frühzeitig behandelbare Schäden an Ihren Herzkranzgefäßen erkennen und so Ihren vorzeitigen Tod vermeiden.

—  Professor Paul Bannon, MBBS, PhD, FRACS

Siehe auch

Anmerkungen

Externe Links