Spontansystem følger ligevægtsregler

Forskere har længe kendt ins og outs af ligevægtstermodynamikken. Systemer i ligevægt - en stabil tilstand af uændret balance - er styret af et pænt sæt regler, gør dem forudsigelige og nemme at udforske.

"I ligevægt, der er en fantastisk ramme, som er meget velafprøvet. Der er næsten ingen antagelser, " sagde Northwestern Engineerings Erik Luijten. "Problemet er, at de fleste systemer i naturen ikke er i ligevægt. For dem, vi har ikke en brugbar ramme med de samme forudsigelsesevner."

Nu har et internationalt team med medlemmer fra modsatte sider af verden opdaget beviser på, at der måske eksisterer en pæn ramme for ikke-ligevægtssystemer. Ledet af Luijten og Steve Granick fra Korea's Institute for Basic Science (IBS), holdet fandt et ikke-ligevægtssystem, der kvantitativt opfører sig som et ligevægtssystem. Fundet kan føre til et sæt regler, der gør det muligt at forudsige egenskaberne ved ikke-ligevægtssystemer, som oplever konstante ændringer i energi og er nødvendige for alle former for liv.

"Tolstoy sagde, 'Alle lykkelige familier er ens; hver ulykkelig familie er ulykkelig på sin egen måde.' Det er præcis, hvad videnskabsmænd har tænkt om ligevægtssystemer kontra ikke-ligevægtssystemer. Alle ligevægtssystemer er ens, men hvert ikke-ligevægtssystem er ikke-ligevægt på sin egen måde, " sagde Granick, der leder IBS Center for Soft and Living Matter. "Vi fandt ud af, at disse tilsyneladende uforudsigelige systemer trods alt kan være forudsigelige."

Støttet af IBS, US Department of Energy, og National Science Foundation, forskningen blev offentliggjort online i Proceedings of the National Academy of Sciences . Luijten og Granick er avisens medforfattere. Ming Han, en ph.d.-studerende i Luijtens laboratorium, og Jing Yan, en tidligere kandidatstuderende ved University of Illinois, fungerede som co-first forfattere af papiret.

Forskningen blev ansporet, da Granick og Yan bemærkede noget mærkeligt i laboratoriet. Mens de så en tilfældig blanding af blødt stof partikler kaldet Janus kolloider, som Granick tidligere har udviklet, de observerede, at partiklerne nogle gange sorterede sig selv efter type. Opkaldt efter den romerske gud med to ansigter, kuglerne i mikronstørrelse har en halvkugle belagt med et tyndt metallag. De kører selv i nærvær af et elektrisk felt, og når et roterende magnetfelt påføres, de bevæger sig i cirkler. I nærværelse af disse felter, omkring 50 procent af kolloiderne orienterer deres metalbelagte halvkugle i samme retning. De resterende 50 procent vender i den modsatte retning.

"Når de modsat orienterede partikler bevæger sig i cirkler, de støder ind i hinanden og slynges ud af deres kredsløb, " sagde Luijten, professor i materialevidenskab og teknik, ingeniørvidenskab og anvendt matematik, og fysik og astronomi. "Partiklerne bliver ved med at blive sparket ud af deres baner, indtil de kun er omgivet af samme type. Højrevendte partikler er omgivet af andre højrevendte partikler, og venstrevendte partikler er omgivet af andre venstrevendte partikler."

Granick og hans team anerkendte denne adfærd som faseadskillelse, som er karakteristisk for stoffer i ligevægt. Når der sker faseadskillelse, en blanding af to eller flere væsker adskilles i lag. De fleste har været vidne til faseadskillelse, når de rystede en olievinaigrette-salatdressing. Efter at dressingen har sat sig, olielaget lægger sig oven på eddikelaget.

"De bemærkede faseadskillelse i et system, der var ude af ligevægt, " sagde Han. "Nogle gange så de tydelig faseadskillelse, men andre gange, de så slet ikke faseadskillelse."

Mangeårige samarbejdspartnere, Granick og Luijten overvejede mysteriet sammen. Luijtens hold gentog eksperimentet i beregningssimuleringer og fandt ud af, at kun når partiklerne roterede med små radier, blev de faseadskilt. De pegede på, at længden af ​​radius var nøglen.

Termodynamikkens love definerer forholdet mellem temperatur og energi for alle ligevægtssystemer. Ved at kende systemets temperatur, videnskabsmænd kan komme med forudsigelser om dets andre egenskaber. Luijten, Granick, og deres hold fandt ud af, at i deres ikke-ligevægtssystem fungerede radius på samme måde som temperatur som en kontrolparameter.

"Vi fandt ud af, at alt, hvad du kontrollerer ved temperatur i ligevægt i stedet afhænger af radius i vores system, " sagde Luijten. "Det er en general, grundlæggende udtalelse, der er et udgangspunkt for mere udforskning. Det giver lidt håb om, at vi kunne udvikle generelle retningslinjer for ikke-ligevægtssystemer."