Forskning skubber begrebet entropi ud af kilter

Entropi, mål for uorden i et fysisk system, er noget, som fysikere godt forstår, når systemer er i ligevægt, hvilket betyder, at der ikke er nogen ydre kraft, der kaster ting ud af kilter. Men ny forskning fra Brown University -fysikere tager ideen om entropi ud af sin ligevægtskomfortzone.

Forskningen, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , beskriver et eksperiment, hvor fremkomsten af ​​et ikke-ligevægtsfænomen faktisk kræver en entropisk hjælp.

"Det er ikke klart, hvad entropi overhovedet betyder, når du bevæger dig væk fra ligevægt, så at have dette samspil mellem et ikke-ligevægtsfænomen og en entropisk tilstand er overraskende, "sagde Derek Stein, en fysiker fra Brown University og medforfatter til værket. "Det er spændingen mellem disse to grundlæggende ting, der er så interessant."

Fænomenet forskningen undersøgte er kendt som "kæmpe acceleration af diffusion, "eller GAD. Diffusion er udtrykket, der bruges til at beskrive, i hvilket omfang små, jiggling partikler spredes ud. Jiggling refererer til brunisk bevægelse, som beskriver tilfældige bevægelser af små partikler som følge af kollisioner med omgivende partikler. I 2001, en gruppe forskere udviklede en teori om, hvordan browniske partikler ville diffundere i et system, der blev skubbet ud af ligevægt.

Forestil dig jiggling partikler arrangeret på en overflade med bølgende bump som et vaskebræt. Deres jiggle er ikke helt stor nok til at sætte partiklerne i stand til at springe over bulerne i brættet, så de diffunderer slet ikke meget. Imidlertid, hvis brættet blev vippet i en eller anden grad (med andre ord, flyttet ud af ligevægt) ville bumpene blive lettere at springe over i nedadgående retning. Da tiltningen begynder at stige, nogle partikler vil jiggle fri for vaskebrætets barrierer og løbe ned af brættet, mens andre bliver ved med at være. Fysisk set, partiklerne er blevet mere diffusive-mere spredt-efterhånden som systemet flyttes ud af ligevægt. GAD -teorien kvantificerer denne diffusivitetseffekt og forudsiger, at når tilt begynder at stige, diffusivitet accelererer. Når hældningen passerer det punkt, hvor alle partiklerne kan jiggle fri og bevæge sig ned af vaskebrættet, så falder diffusiviteten igen.

Teorien er vigtig, Stein siger, fordi det er et af få forsøg på at lave solide forudsigelser om, hvordan systemer opfører sig væk fra ligevægt. Det er blevet testet i et par andre indstillinger og har vist sig at lave præcise forudsigelser.

Men Stein og hans team ønskede at teste teorien i et ukendt miljø - en der introducerer entropi i blandingen.

Til forsøget, Stein og hans kolleger placerede DNA -tråde i nanofluidiske kanaler - hovedsageligt bittesmå væskefyldte gange, hvorigennem molekylerne kunne rejse. Kanalerne var dog foret med nanopitter - små rektangulære fordybninger, der skaber dybe pletter inden for de relativt smallere kanaler. Ved ligevægt, DNA -molekyler har en tendens til at indrette sig i uorden, spaghetti-lignende bolde. Som resultat, når et molekyle finder vej ind i en nanopit, hvor det har mere plads til at danne en uordnet kugle, det har en tendens til at blive hængende der. Gruberne kan opfattes som lidt ligesom dykkerne mellem bump på det teoretiske GAD -vaskebræt, men med en kritisk forskel:Det eneste, der rent faktisk holder molekylet i graven, er entropi.

"Dette molekyle jiggler tilfældigt rundt i gruben - tilfældigt vælger forskellige konfigurationer at være i - og antallet af mulige konfigurationer er et mål for molekylets entropi, "Forklarede Stein." Det kunne, på et tidspunkt, land på en konfiguration, der er tynd nok til at passe ind i kanalen uden for gruben, hvilket ville gøre det muligt at bevæge sig fra en pit til en anden. Men det er usandsynligt, fordi der er så mange flere former, der ikke går igennem, end former, der gør. Så gruben bliver en 'entropisk barriere'. "

Stein og hans kolleger ønskede at se, om den ikke-ligevægtige GAD-dynamik stadig ville dukke op i et system, hvor barriererne var entropiske. De brugte en pumpe til at lægge tryk på de nanofluidiske kanaler, skubber dem ud af ligevægt. De målte derefter hastighederne for hvert molekyle for at se, om GAD opstod. Det, de så, var stort set i overensstemmelse med GAD -teorien. Da trykket steg til et kritisk punkt, molekylernes diffusivitet steg - hvilket betyder, at nogle molekyler lynede hen over kanalen, mens andre blev fast i deres gruber.

"Det var slet ikke klart, hvordan dette eksperiment ville komme ud, "Sagde Stein." Dette er et ikke-ligevægtsfænomen, der kræver barrierer, men vores barrierer er entropiske, og vi forstår ikke entropi væk fra ligevægt. "

Det faktum, at hindringerne forblev, rejser interessante spørgsmål om entropiens art, Siger Stein.

"Ikke-ligevægt og entropi er to begreber, der er lidt modsatte, men vi viser en situation, hvor det ene afhænger af det andet, "sagde han." Så hvad er det vejledende princip, der fortæller, hvad afvejningen er mellem de to? Svaret er:Vi har ikke en, men måske kan forsøg som dette begynde at give os et vindue ind i det. "

Ud over de mere dybtgående konsekvenser, der kan også være praktiske anvendelser for fundene, Siger Stein. Forskerne viste, at de kunne estimere de små piconewton -kræfter, der skubber DNA'et fremad blot ved at analysere molekylernes bevægelse. Til reference, en newton kraft er omtrent vægten af ​​et gennemsnitligt æble. En piconewton er en billionion af det.

Forsøget viste også, at med den rette mængde tryk, diffusiviteten af ​​DNA -molekylerne blev forøget med faktor 15. Så en lignende teknik kunne være nyttig til hurtigt at lave blandinger. Hvis en sådan teknik blev udviklet for at drage fordel af GAD, det ville være det første, Siger Stein.

"Ingen har nogensinde udnyttet et ikke-ligevægtsfænomen til sådan noget, "sagde han." Så det ville helt sikkert være en interessant mulighed. "