Nanothermodynamics for Molecular Machines

Nanotermodynamikk gir en unik innsikt i hvordan sammenhengen mellom varme, energi og arbeid foregår på nano-skala, der vi ikke lenger kan anta at termodynamiske egenskaper oppfører seg på samme måte som i makroskopiske system. Vårt systematiske arbeid med å kartlegge egenskaper, og beskrive endringene i termodynamiske egenskaper ved forskjellige størrelser har ledet oss til ny innsikt i hvordan små system oppfører seg under forskjellige betingelser. Systematiske simuleringer som tar i bruk strekking av små RNA-tråder finner en signifikant forskjell i termodynamiske egenskaper pga. størrelsen, og finner at interaksjonen med vann og co-solventer er avgjørende for de termodynamiske egenskapene. Disse beskrivelsene vil ha stor betydning for videre studier av stabilitet, og for å forstå reversibel strekking av polymer-tråder. Vi har også tatt i bruk ikke-likevekt simuleringer har vi studert transporten av ioner i kanaler, og bruker dette for å forstå hvordan transport i små system endrer seg. Dette kan ha stor betydning for hvordan fremtidige material blir fremstilt, og hvilke materialer vi anvender inn mot nye energi-teknologier. Særlig for transport i fast-stoff elektrolytter har vist seg å være et svært interessant system, der ioner transporteres, og grenseflaten mellom elektrolytter og elektroder er avgjørende for egenskapene til materialet. Grenseflatene er små system, og har forskjellige egenskaper pga. av sin størrelse.

-

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.