Modèle pour le stockage d'énergie et la synthèse pilotée. Sans (resp. avec) la transition pointillée orange, le réseau de réaction chimique modélise le stockage d'énergie (resp. synthèse pilotée). L'espèce de haute énergie A2A2 est à faible concentration à l'équilibre. L'alimentation du système en chimiostatant les espèces de carburant (FF) et de déchets (WW) stimule la formation d'A2A2 à partir du monomère MM via les espèces activées M2M2 et A∗2A2∗. a Le réseau de réaction chimique (les flux directs sont définis dans le sens inverse des aiguilles d'une montre). Crédit: Communication Nature (2019). DOI :10.1038/s41467-019-11676-x
Des physiciens de l'Université du Luxembourg ont développé des outils théoriques pour analyser et optimiser des moteurs chimiques allant des simples réseaux de réactions chimiques aux voies métaboliques complexes.
Le papier, "Efficacité thermodynamique en chimie dissipative, " rapporte les résultats des recherches menées par le professeur Massimiliano Esposito, Dr Riccardo Rao et Ph.D. étudiant Emanuele Penocchio de la Faculté des sciences, Technologie et Communication à l'Université du Luxembourg. Il a été publié en Communication Nature .
Thermodynamique, la branche de la physique traitant de la conversion d'énergie et de ses limites, est né d'un effort visant à améliorer l'efficacité des moteurs mécaniques tels que les moteurs à vapeur ou à combustion. En théorie standard, les lois thermodynamiques n'ont jamais été applicables pour caractériser les performances des petits moteurs chimiques tels que les cellules vivantes.
Dans les moteurs mécaniques, l'efficacité maximale ne coïncide jamais avec la puissance maximale. L'efficacité d'une voiture varie en fonction de la vitesse. Si vous conduisez rapidement à pleine puissance, le rendement à la puissance maximale est généralement très faible.
Les choses sont différentes dans le monde des molécules, comme le professeur Esposito, Le Dr Rao et M. Penocchio l'ont découvert. Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour appliquer les principes de la thermodynamique aux systèmes chimiques. Ces résultats pourraient s'avérer utiles en bio-ingénierie ou en nanotechnologie à l'avenir.
La recherche a fait un pas vers l'évaluation du coût thermodynamique de la construction et du maintien en fonctionnement d'une cellule. Par exemple :combien d'énergie dans la nourriture consommée par une cellule est gaspillée, et combien est utilisé au niveau chimique? Les résultats enregistrent les conditions dans lesquelles les systèmes fonctionnent simultanément avec une efficacité maximale et une puissance maximale.
"Nous supposons généralement que la nature est très efficace grâce aux âges de l'évolution. En quantifiant l'efficacité de diverses opérations chimiques dans différents organismes, nous pourrons peut-être un jour mettre ce genre d'idées sur un terrain plus solide, contribuant ainsi à une meilleure compréhension des systèmes biologiques. Cette étude fournit la base pour les futures études de performance et la conception optimale en chimie. Nous pouvons maintenant répondre aux questions sur l'efficacité de toute opération effectuée par un système chimique ouvert, " dit le professeur Esposito.