Výkon a účinnost molekulárních strojů poháněných informací

• Thesis title in Czech: Výkon a účinnost molekulárních strojů poháněných informací
• Thesis title in English: Power and efficiency of information engines
• Academic year of topic announcement: 2017/2018
• Thesis type: project
• Department: Department of Macromolecular Physics (32-KMF)
• Supervisor: RNDr. Artem Ryabov, Ph.D.
• Author: hidden - assigned by the advisor
• Date of registration: 09.05.2018
• Date of assignment: 10.05.2018

Guidelines

Molekulární motory [1,2] zajišťuji chod řady životně důležitých biologických procesů uvnitř buněk. Jejich efektivita při přeměně různých forem energie na mechanickou práci je pozoruhodná, uvážíme-li, že dynamika těchto strojů je kvůli jejich malým rozměrům (motorem může být i jediná makromolekula [3]) silně ovlivněna termálními fluktuacemi okolního prostředí. Snaha o pochopení a nápodobení funkce těchto strojů je jedním z nejaktivněji se rozvíjejících směrů výzkumů v moderní biofyzice a chemii [4]. Avšak i přes intenzivní teoretické [2] a experimentální [5] studium, základní principy fungování molekulárních motorů stále zůstávají z větší části nepochopeny [4-8].

Práce [6] diskutující nedávné experimentální realizace molekulárních motorů poukázala na fundamentální rozdíly mezi jednotlivými třídami strojů (poháněných světlem vs. chemickou energií). Zároveň v posledních letech došlo k výraznému pokroku v termodynamice molekulárních systémů (stochastická termodynamika [9-11]), kde nezávisle na experimentálním výzkumu byly objeveny „termodynamické relace neurčitosti“ [12], které kvantifikují vztah mezi produkcí entropie a přesností měření fyzikálních veličin (toků tepla, velikost práce vykonané motorem), a řada relací mezi účinností a výkonem mezoskopických motorů [13,14]. Hlavním vědeckým cílem navrhovaného projektu bude diskuze významu těchto teoretických výsledků v kontextu konkrétních modelů různých tříd molekulárních motorů [6,7,10]. V rámci této diskuze bude studována práce a výkon motorů (střední hodnoty i fluktuace), jejich účinnosti a také bude provedena optimalizace účinnosti pro konkrétní hodnoty výkonu, viz ref. [14]. Výsledky poskytnou návod na optimalizaci skutečných uměle vytvořených molekulárních strojů [5].

References

[1] J. Howard, Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskeleton (Sinauer, New York, 2001)
[2] A.B. Kolomeisky and M.E. Fisher, Molecular Motors: A Theorist's Perspective, Ann. Rev. Phys. Chem. 58, 675 (2007)
[3] E.R. Kay et al, Synthetic Molecular Motors and Mechanical Machines, Angew. Chem., Int. Ed. 46, 72 (2007)
[4] The Nobel Prize in Chemistry 2016". Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 8 May 2018. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/
[5] S. Erbas-Cakmak et al, Artificial Molecular Machines, Chem. Rev. 115, 10081 (2015)
[6] R.D. Astumian, Optical vs. Chemical Driving for Molecular Machines, Faraday Discuss. 195, 583 (2016)
[7] R.D. Astumian, Artificial Molecular Motors: Running on Information, Nature Nanotechnol. 11, 582 (2016)
[8] M.R. Wilson et al, An Autonomous Chemically Fuelled Small-Molecule Motor, Nature 534, 235 (2016)
[9] U. Seifert, Stochastic Thermodynamics, Fluctuation Theorems and Molecular Machines, Rep. Prog. Phys. 75, 126001 (2012)
[10] A.C. Barato and U. Seifert, Unifying Three Perspectives on Information Processing in Stochastic Thermodynamics, Phys. Rev. Lett. 112, 090601 (2014)
[11] J.M.R. Parrondo, Thermodynamics of Information, Nature Physics 11, 131 (2015)
[12] R. Marsland and J. England, Limits of predictions in thermodynamic systems: a review, Rep. Prog. Phys. 81, 016601 (2018)
[13] P. Pietzonka and U. Seifert, Universal trade-off between power, efficiency and constancy in steady-state heat engines, arXiv:1705.05817 (2018)
[14] V. Holubec and A. Ryabov, Diverging but negligible power at Carnot efficiency: Theory and experiment. Phys. Rev. E 96, 062107 (2017)