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熱力学

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1: 2017/09/06(水) 23:33:13.15 ID:CAP_USER
2017.09.06
量子力学から熱力学第二法則を導出することに成功 ~「時間の矢」の起源の解明へ大きな一歩~:物理工学専攻 伊與田英輝助教、金子和哉さん(D1)、沙川貴大准教授

東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の伊與田英輝助教、金子和哉大学院生、沙川貴大准教授は、マクロ(巨視的)な世界の基本法則で、不可逆な変化に関する熱力学第二法則を、ミクロな世界の基本法則である量子力学から、理論的に導出することに成功しました。
これは、極微の世界を支配する「量子力学」と、私達の日常を支配する「熱力学」という、二つの大きく隔たった体系を直接に結び付けるものです。
本研究では、量子多体系の理論に基づき、単一の波動関数(注4)で表される量子力学系において、熱力学第二法則を理論的に導きました。 

続きはソースで

プレスリリース本文:/shared/press/data/setnws_201709061614152431248138_195100.pdf
Physical Review Letters:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.100601#fulltext

▽引用元:東京大学大学院工学系研究科 プレスリリース 2017.09.06
http://www.t.u-tokyo.ac.jp/soe/press/setnws_201709061614152431248138.html
http://www.t.u-tokyo.ac.jp/shared/press/images/setnws_201709061614152431248138_761028.jpg

ダウンロード (4)


引用元: 【物理】量子力学から熱力学第二法則を導出することに成功 ~「時間の矢」の起源の解明へ大きな一歩~/東京大©2ch.net

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1: 2016/11/01(火) 22:31:43.30 ID:CAP_USER
慶應大ら、熱エンジンの効率を最大限に上げると出力がほぼゼロになることを証明
~熱力学に新たな原理が付加

若杉 紀彦2016年11月1日 14:00

古くから推測されていた熱エンジンと効率向上と出力の大きさとの間にはトレードオフの関係があることが慶應義塾大学理工学部の齊藤圭司准教授と、東京大学大学院総合文化研究科白石直人氏、学習院大学理学部の田崎晴明教授らの研究グループによって証明された。
 
火力発電所の発電機のように、高温の物体から熱を受け取り、それを電気のような「使えるエネルギー」に変える装置を一般的に「熱エンジン」と呼ぶ。高温の物体から受け取った熱エネルギーのうち、どれだけ利用できたかの比率を「効率」という。
この効率には、原理的に超えられない「カルノー効率」という上限があることが分かっている。
一方、発電機では、効率だけでなく「何Wの電力が発電できるか」という「仕事率」が問題になる。
 
カルノー効率が達成されると、効率は上がるが、トレードオフの関係で、同時に仕事率がゼロになることが漠然と予想されていた。
しかし、従来の熱力学には動作時間という概念が組み込まれていないため、仕事率を解析できず決定的な答えを得られていなかった。

続きはソースで

▽引用元:PC Watch 2016年11月1日 14:00
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/news/1027753.html

▽関連
慶應義塾大学 プレスリリース 2016/10/31
一般の熱エンジンの効率とスピードに関する原理的限界の発見
https://www.keio.ac.jp/ja/press-releases/2016/10/31/28-18691/

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.190601
https://arxiv.org/abs/1605.00356 

images


引用元: 【熱力学】熱エンジンの効率を最大限に上げると出力がほぼゼロになることを証明 熱力学に新たな原理が付加/慶應大など©2ch.net

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1: 2015/10/26(月) 21:35:37.17 ID:???.net
100℃以上の温度でのタンパク質の安定化機構を熱力学的に解明 | 理化学研究所
http://www.riken.jp/pr/press/2015/20151026_2/

画像
http://www.riken.jp/~/media/riken/pr/press/2015/20151026_2/fig1.jpg
図1 大腸菌由来CutA1の立体構造
αはαへリックス構造、βはβシート構造を示す。色分けされた3つの構造単位から成る三量体である。

http://www.riken.jp/~/media/riken/pr/press/2015/20151026_2/fig2.gif
図2 EcCutA1_0SHとその疎水性変異型の熱変性反応の可逆性
黒のカーブは1回目のDSC測定。赤いカーブは2回目の測定で、熱変性直後冷却して再度昇温し測定した。EcCutA1_0SHでは、赤と黒の2つのカーブが完全に重なっていることから可逆性を示していることが分かった。

http://www.riken.jp/~/media/riken/pr/press/2015/20151026_2/fig3.gif
図3 EcCutA1_0SHの疎水性変異型のDSCカーブ
2重変異型「EcCutA1_0SH_S11V/E61V(=Ec0VV)」は2つのアミノ酸残基のバリン(Val)置換によって変性温度が27.6℃上昇した。

http://www.riken.jp/~/media/riken/pr/press/2015/20151026_2/fig4.gif
図4 荷電性変異型の熱力学的パラメータの温度依存性
荷電性残基変異型の変性温度でのエンタルピー変化(ΔH)をプロットしている。黒と赤のカーブはEc0VV_6のΔHとTΔSの温度関数を示す。

http://www.riken.jp/~/media/riken/pr/press/2015/20151026_2/fig5.gif
図5 Ec0VV(1)とEc0VV_6(2)の変性の熱力学的パラメータの温度関数
青のカーブはエンタルピー変化、赤はエントロピー変化、黒はギブスエネルギー変化を示す温度依存曲線。


要旨

理化学研究所(理研)放射光科学総合研究センター生物試料基盤グループの油谷克英上級研究員、松浦祥悟リサーチアソシエイトらと、高輝度光科学研究センター(JASRI)、大阪大学蛋白質研究所の共同研究グループは、100℃以上の温度領域で生息する超好熱菌[1]などが産生する非常に高い熱安定性を示す超耐熱性タンパク質の熱安定性に寄与する疎水性相互作用[2](疎水性のアミノ酸残基間の相互作用)と静電的相互作用[3](荷電性のアミノ酸残基間の相互作用)の熱力学的な役割を実証的に解明しました。

タンパク質は20種類のアミノ酸が多数連なってできています。超好熱菌などが産出する超耐熱性タンパク質には、側鎖がイオン化する荷電性のアミノ酸残基(荷電性残基[4])が、好熱菌常温生物などのタンパク質に比べ高い割合で存在しています。このため、荷電性残基間の相互作用(塩結合)が、100℃以上の温度領域でのタンパク質の熱安定性に寄与していると考えられてきました。しかし、100℃以上で生物機能を発揮できる超耐熱性タンパク質の設計は、未だに実現していません。

これは100℃以上の温度領域でのタンパク質の熱安定性について熱力学に関する実験が技術的に困難なためです。また、タンパク質の安定化には疎水性相互作用が重要とされていますが、100℃以上の高い温度で熱力学的にどのような役割を担っているか実験的な検証がなされていませんでした。

共同研究グループは、高い熱安定性を持つ大腸菌由来のタンパク質「CutA1」を構成する複数のアミノ酸残基を、疎水性および荷電性のアミノ酸残基へ置換することで、変性温度を86℃から137℃まで改善することに成功しました。これにより、100℃以上の温度領域での疎水性相互作用と静電的相互作用の熱安定化に寄与する熱力学的役割を実証的に解明しました。

熱安定性の高いタンパク質は、医学・薬学などの分野で取り扱いやすいタンパク質試料として、あるいは工業分野における耐熱素材として必要とされています。今回の成果は、100℃以上の高い温度でのタンパク質の安定化を熱力学的に解明したもので、超耐熱性タンパク質の設計に理論的指針を与えると期待できます。

本研究は、日本医療研究開発機構所管の『創薬等ライフサイエンス研究支援基盤事業』の一環として行われました。また、本成果は、国際科学雑誌『Scientific Reports』に(10月26日付け)に掲載されます。

続きはソースで

ダウンロード
 

引用元: 【生化学/熱力学】100℃以上の温度でのタンパク質の安定化機構を熱力学的に解明 超耐熱化タンパク質の設計が可能に 理研

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1: 2015/06/27(土) 12:37:03.21 ID:???.net
東大など、大腸菌に潜む「マクスウェルの悪魔」の働きを解明することに成功 | マイナビニュース
http://news.mynavi.jp/news/2015/06/26/623/

画像
http://n.mynv.jp/news/2015/06/26/623/images/001l.jpg
大腸菌のシグナル伝達の模式図。エサとなる化学物質からの入力情報が伝えられ、それが受容体のメチル化レベルにいったん記憶されたあと、フィードバックによる安定化が行われている(画像提供:東京工業大学)
http://n.mynv.jp/news/2015/06/26/623/images/002l.jpg
大腸菌のシグナル伝達の情報熱力学的な効率のシミュレーション結果。入力信号に対して、情報熱力学的な効率を表す性能指数を示している。性能指数が1に近いほど、通常の熱効率と比べて情報熱力学的な効率が高くなる (画像提供:東京工業大学)


東京大学(東大)と東京工業大学(東工大)は6月26日、大腸菌が餌に反応する際に生体内で情報が果たす役割を定量的に解明することに成功したと発表した。

同成果は、東大 工学系研究科の沙川貴大 准教授と東工大 大学院理工学研究科の伊藤創祐 日本学術振興会特別研究員らによるもの。詳細は、英国科学雑誌「NatureCommunications」に掲載された。

物理学者マクスウェルが示唆した「マクスウェルの悪魔」は、熱力学第2法則を破ることができることを示したものだが、長い間パラドックスであると考えられていた。しかし、近年、実際に実験により、この悪魔を実現できるようになったほか、「情報量」の概念を熱力学に取り入れることで、悪魔が熱力学第2法則と矛盾しないことも明らかになり、そこが情報処理過程にも適用できるように拡張された熱力学「情報熱力学」の発展につながっている。この情報熱力学を用いることで、分子レベルでの情報処理をする際のエネルギーコストを明らかにすることが可能となる。

一方、大腸菌は細胞内で情報を上手く処理することで、環境の変化に適応しながらエサを探す「走化性」というメカニズムの存在が知られている。こうした生命の情報伝達メカニズムは、正確な誤り訂正が常に行われているわけではないが、大腸菌の走化性におけるシグナル伝達にはフィードバック制御が組み込まれており、これが悪魔と類似の働きをしているとみなすことができると考えられてきた。

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引用元: 【情報熱力学】大腸菌に潜む「マクスウェルの悪魔」の働きを解明することに成功 東大など

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