Toutes les machines convertissent une forme d'énergie en une autre forme, par exemple, un moteur de voiture transforme l'énergie stockée dans le carburant en énergie cinétique. Ces processus de conversion d'énergie, décrit par la thermodynamique, ne se déroulent pas seulement au niveau macro des grosses machines, mais aussi au niveau micro des machines moléculaires qui pilotent les muscles ou les processus métaboliques et même au niveau atomique. L'équipe de recherche du professeur Massimiliano Esposito de l'Université du Luxembourg étudie la thermodynamique de petites nanomachines constituées de quelques atomes seulement. Dans un article publié en Examen physique X , ils décrivent comment ces petites machines se comportent de concert. Leurs connaissances pourraient être utilisées pour améliorer l'efficacité énergétique de toutes sortes de machines, grand ou petit.

Les progrès récents des nanotechnologies ont permis aux chercheurs de comprendre le monde à des échelles toujours plus petites, et permet même la conception et la fabrication de machines artificielles extrêmement petites. "Il est prouvé que ces machines sont bien plus efficaces que les grosses machines, comme les voitures. Pourtant en termes absolus, le rendement est faible par rapport aux besoins que nous avons dans les applications de la vie quotidienne, " explique Tim Herpich, doctorat étudiant au groupe de recherche d'Esposito et auteur principal de l'article. "C'est pourquoi nous avons étudié comment les nanomachines interagissent les unes avec les autres et examiné le comportement d'ensembles de ces petites machines. Nous voulions voir s'il y avait des synergies lorsqu'elles agissent de concert."

Les chercheurs ont découvert que les nanomachines, sous certaines conditions, commencer à s'organiser en "essaims" et synchroniser leurs mouvements. « Nous avons pu montrer que la synchronisation des machines déclenche des effets de synergie importants, de sorte que la production d'énergie globale de l'ensemble est bien supérieure à la somme des productions individuelles, " a déclaré le professeur Esposito. Bien qu'il s'agisse de recherche fondamentale, les principes décrits dans le document pourraient potentiellement être utilisés pour améliorer l'efficacité de n'importe quelle machine à l'avenir, explique le chercheur.

Afin de simuler et d'étudier le comportement énergétique d'essaims de nanomachines, les scientifiques ont créé des modèles mathématiques basés sur la littérature existante et les résultats de la recherche expérimentale.