Nanothermodynamics for Molecular Machines

I NanoTherm prosjektet har vi studert termodynamiske egenskaper for små system, og system som befinner seg langt unna den makroskopiske grensens, dvs. systemer der vi har svært få partikler som interagerer. Slike system er svært viktige, da det er et stadig press for å reduser kostnader og miljøpåvirkningen i fremstillingen av ny teknologi. Reduksjon i størrelse vil ha en direkte påvirkning på egenskapene til materialet, og vil ha stor betydning for virkemåte og forståelse av små system. Termodynamikk har tradisjonelt vært anvendt på store system, dvs. system med millioner og milliarder av interagerende partikler. Nanoteknologi lar oss studere system med atom-presisjon, og utvikling av nye teknologier er basert på system med nanometer presisjon. I naturen finner vi også flere eksempler på slike system, med biologiske system som DNA/RNA som kroneksempler. I NanoTherm har vi studert flere systemer, under varierende betingelser. Da systemene er så små, er de godt egnet for modellering ved bruk av atomistiske simuleringer, med hovedfokus på klassiske molekyldynamikk og Monte Carlo simuleringer, til å studere forskjellige system og beskrive hvilke egenskaper disse systemene har i likevekt, men også hvordan de blir påvirket av eksterne krefter, som en påført gradient i temperatur, kjemisk potensial, eller elektrisk felt. De viktigste funnene i prosjektet er at termodynamikken for nanosystem kan beskrives ved bruk av Hills termodynamikk. Denne tar hensyn til forskjellen i størrelse, og form på nanosystem, hvilket er egenskaper som må inkluderes i beskrivelsen. Nano-system viser ofte stort avvik fra klassisk termodynamikk, men ikke alltid. Bruk av simuleringer viser at egenskaper vil skalere lineært med den inverse størrelsen av systemet, og vil konvergere mot den termodynamiske grenseverdien. I tillegg finner vi en sterk ensemble-avhengighet for små system, som viser at grenseverdiene har stor betydning for hvordan vi bestemmer egenskaper, og under hvilke betingelser egenskapene er bestemt. Vi finner det særlig interessant at små åpne system har to definisjoner av viktige egenskaper, som trykk og kjemisk potensial, referert til som integral, eller differensial form, avhengig av hvordan de bestemmes. Dette kan ha stor betydning for hvordan slike system tolkes, og hvordan vi kan skal forstå trykk i f.eks. små porer, bobler, dråper, eller nanopartikler. Selv om resultatene har før til flere publikasjoner i gode journaler, er det fremdeles mange spørsmål vi ikke har funnet tilstrekkelig svar på. Det er ingen opplagt sammenheng mellom termodynamiske egenskaper, og molekyl-molekyl interaksjoner, samt termodynamiske tilstandslikninger gir ikke ett fullstendig bilde av hvordan sammenhengen mellom nano-systemer og bulk systemer. Vi må fremdeles undersøke hvert system for seg selv.

The project has lead to the publication of a textbook in the field of nanothermodynamics, the first since the field was invented by Terrell Hill. Results from the research has been widely communicated through the Researcher Grand Prix, where one of the PhD-students performed really well, and brought insights to the general public. The results are giving new insights into thermodynamics, and how small systems behave. In a wide range of publications we have applied the approach to different systems, from small pores, to the thin electric double layer of electrodes in state-of-the-art batteries. We have developed new guidelines, that can be used studying small systems, to determine under which conditions size and shape effects must be taken into account, and how to best correct and use size effects to interpret results. The insights can prove to be important in further interpretations of results from simulations and experiments.

The aim of this project is to establish nanothermodynamics as a method to study molecular machines, and use it as the main method to describe thermodynamic behaviour of molecular machines in equilibrium and non-equilibrium. Based on previous experience with nanothermodynamics, we have established that the thermodynamic properties of systems that are on the nanoscale can deviate significantly from a macroscopic system. The effect is caused mainly by the difference in size and shape of the small system compared to the macroscopic system. Even with a thermodynamic description that has been shown to correctly describe small nanoscale isotropic systems, the difference between nano- and mesoscale is mostly due to size and shape effects, that are not understood at this point. A thorough understanding requires a computation effort to relate size and shape of small systems to the thermodynamic properties of these systems. Molecular machines are one of these types of systems where the small size is fundamental for the way the machine work. Molecular machines have been lifted out as one of the most promising new technologies for groundbreaking advances in energy, medicine, and electronics. To reach its potential, it is paramount that the fundamental thermodynamic laws governing molecular machines is established and understood. Even if molecular machines functions in a way resembling a classical machine, the way energy is converted and dissipated to the surroundings is not well understood, and based on the development of nanothermodynamics, we will explain this energy conversion, and use it to measure transport properties, as well as thermodynamic efficiency of molecular machines.