Entropie, de mate van wanorde in een fysiek systeem, is iets dat natuurkundigen goed begrijpen als systemen in evenwicht zijn, wat betekent dat er geen externe kracht is die dingen uit balans brengt. Maar nieuw onderzoek door natuurkundigen van Brown University haalt het idee van entropie uit zijn evenwichtscomfortzone.

Het onderzoek, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , beschrijft een experiment waarin de opkomst van een niet-evenwichtsverschijnsel eigenlijk een entropische hulp vereist.

"Het is niet duidelijk wat entropie zelfs betekent als je weggaat van evenwicht, dus deze wisselwerking tussen een niet-evenwichtsverschijnsel en een entropische toestand is verrassend, " zei Dirk Stein, een natuurkundige van Brown University en co-auteur van het werk. "Het is de spanning tussen deze twee fundamentele dingen die zo interessant is."

Het fenomeen dat het onderzochte onderzoek staat bekend als "gigantische versnelling van diffusie, " of GAD. Diffusie is de term die wordt gebruikt om de mate te beschrijven waarin kleine, schuddende deeltjes verspreidden zich. Het schudden verwijst naar de Brownse beweging, die de willekeurige beweging van kleine deeltjes beschrijft als gevolg van botsingen met omringende deeltjes. In 2001, een groep onderzoekers ontwikkelde een theorie over hoe Brownse deeltjes zouden diffunderen in een systeem dat uit evenwicht was geraakt.

Stel je voor dat er bewegende deeltjes op een oppervlak zijn gerangschikt met golvende bulten als een wasbord. Hun trilling is niet groot genoeg om de deeltjes over de hobbels in het bord te laten springen, dus ze verspreiden niet veel. Echter, als het bord tot op zekere hoogte zou zijn gekanteld (met andere woorden, uit evenwicht) zouden de hobbels gemakkelijker worden om over te springen in de richting naar beneden gericht. Naarmate de kanteling begint toe te nemen, sommige deeltjes zullen loskomen van de wasbordbarrières en over het bord lopen, terwijl anderen blijven zitten. In natuurkundige termen, de deeltjes zijn meer diffuus geworden - meer verspreid - naarmate het systeem uit evenwicht raakt. De GAD-theorie kwantificeert dit diffusie-effect en voorspelt dat naarmate de kanteling begint toe te nemen, diffusie versnelt. Wanneer de kanteling het punt passeert waar alle deeltjes vrij kunnen bewegen en langs het wasbord kunnen bewegen, dan neemt de diffusie weer af.

De theorie is belangrijk, Stein zegt, omdat het een van de weinige pogingen is om solide voorspellingen te doen over hoe systemen zich buiten evenwicht gedragen. Het is getest in een paar andere instellingen en het is gebleken dat het nauwkeurige voorspellingen doet.

Maar Stein en zijn team wilden de theorie testen in een onbekende omgeving - een die entropie in de mix introduceert.

Voor het experiment, Stein en zijn collega's plaatsten DNA-strengen in nanofluïdische kanalen - in wezen, kleine met vloeistof gevulde gangen waardoor de moleculen konden reizen. De kanalen waren echter bekleed met nanopits - kleine rechthoekige holtes die diepe plekken creëren in de relatief smallere kanalen. Bij evenwicht, DNA-moleculen hebben de neiging om zich in wanordelijke, spaghetti-achtige balletjes. Als resultaat, wanneer een molecuul zijn weg vindt naar een nanoput waar het meer ruimte heeft om een ​​ongeordende bal te vormen, het heeft de neiging om daar vast te blijven zitten. De kuilen kunnen worden gezien als een beetje zoals de kuilen tussen hobbels op het theoretische GAD-wasbord, maar met een cruciaal verschil:het enige dat het molecuul in de put houdt, is entropie.

"Dit molecuul wiebelt willekeurig in de put - willekeurig verschillende configuraties selecterend om in te zijn - en het aantal mogelijke configuraties is een maat voor de entropie van het molecuul, Stein legde uit. "Het zou kunnen, op een gegeven moment, land op een configuratie die dun genoeg is om in het kanaal buiten de put te passen, waardoor het van de ene put naar de andere kon gaan. Maar dat is onwaarschijnlijk omdat er zoveel meer vormen zijn die er niet doorheen gaan dan vormen die dat wel doen. Dus de put wordt een 'entropische barrière'."

Stein en zijn collega's wilden zien of de niet-evenwichtige GAD-dynamiek nog steeds zou ontstaan ​​in een systeem waar de barrières entropisch waren. Ze gebruikten een pomp om druk uit te oefenen op de nanofluïdische kanalen, waardoor ze uit evenwicht raken. Vervolgens maten ze de snelheden van elk molecuul om te zien of GAD naar voren kwam. Wat ze zagen was grotendeels in overeenstemming met de GAD-theorie. Toen de druk toenam naar een kritiek punt, de diffusie van de moleculen nam toe - wat inhield dat sommige moleculen over het kanaal vlogen terwijl andere vast bleven zitten in hun kuilen.

"Het was helemaal niet duidelijk hoe dit experiment zou verlopen, Stein zei. "Dit is een niet-evenwichtsverschijnsel dat barrières vereist, maar onze barrières zijn entropisch en we begrijpen entropie niet buiten evenwicht."

Het feit dat de barrières bleven, roept interessante vragen op over de aard van entropie, zegt Steen.

"Niet-evenwicht en entropie zijn twee concepten die op gespannen voet staan, maar we laten een situatie zien waarin het een van het ander afhangt, " zei hij. "Dus wat is het leidende principe dat vertelt wat de afweging is tussen de twee? Het antwoord is:we hebben er geen, maar misschien kunnen experimenten als deze ons daar inzicht in geven."

Naast de diepere implicaties, er kunnen ook praktische toepassingen zijn voor de bevindingen, zegt Steen. De onderzoekers toonden aan dat ze de kleine piconewton-krachten konden schatten die het DNA naar voren duwen, gewoon door de beweging van de moleculen te analyseren. Als referentie, een Newton kracht is ongeveer het gewicht van een gemiddelde appel. Een piconewton is daar een biljoenste van.

Het experiment toonde ook aan dat, met de juiste hoeveelheid druk, de diffusie van de DNA-moleculen werd met een factor 15 verhoogd. Een vergelijkbare techniek zou dus nuttig kunnen zijn om snel mengsels te maken. Als een dergelijke techniek zou worden ontwikkeld om voordeel te halen uit GAD, het zou een primeur zijn, zegt Steen.

"Niemand heeft ooit een niet-evenwichtsverschijnsel gebruikt voor zoiets, "zei hij. "Dus dat zou zeker een interessante mogelijkheid zijn."