Wetenschappers kennen al lang de ins en outs van de evenwichtsthermodynamica. Systemen in evenwicht - een stabiele staat van onveranderlijk evenwicht - worden beheerst door een nette reeks regels, waardoor ze voorspelbaar en gemakkelijk te verkennen zijn.

"In evenwicht, er is een fantastisch raamwerk dat zeer goed is getest. Er zijn bijna geen aannames, ", zegt Erik Luijten van Northwestern Engineering. "Het probleem is dat de meeste systemen in de natuur niet in evenwicht zijn. Voor degenen, we hebben geen bruikbaar raamwerk met dezelfde voorspellende mogelijkheden."

Nu heeft een internationaal team met leden van verschillende kanten van de wereld bewijs ontdekt dat er misschien een mooi raamwerk voor niet-evenwichtssystemen bestaat. Onder leiding van Luijten en Steve Granick van Korea's Institute for Basic Science (IBS), het team vond een niet-evenwichtssysteem dat zich kwantitatief gedraagt ​​als een evenwichtssysteem. De bevinding zou kunnen leiden tot een reeks regels die het mogelijk maken om de eigenschappen van niet-evenwichtssystemen te voorspellen, die constante veranderingen in energie ervaren en nodig zijn voor alle vormen van leven.

"Tolstoj zei:'Alle gelukkige gezinnen zijn hetzelfde; elk ongelukkig gezin is op zijn eigen manier ongelukkig.' Dit is precies wat wetenschappers hebben gedacht over evenwichtssystemen versus niet-evenwichtssystemen. Alle evenwichtssystemen zijn vergelijkbaar, maar elk niet-evenwichtssysteem is op zijn eigen manier niet-evenwichtig, " zei Granick, die het IBS Center for Soft and Living Matter leidt. "We ontdekten dat deze schijnbaar onvoorspelbare systemen toch voorspelbaar zouden kunnen zijn."

Ondersteund door de IBS, Amerikaanse ministerie van Energie, en de National Science Foundation, het onderzoek werd online gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Luijten en Granick zijn de corresponderende auteurs van het artikel. Ming Han, een promovendus in het laboratorium van Luijten, en Jing Yan, een voormalig afgestudeerde student aan de Universiteit van Illinois, diende als co-eerste auteurs van het papier.

Het onderzoek kreeg een impuls toen Granick en Yan iets vreemds opmerkten in het laboratorium. Terwijl ze naar een willekeurig mengsel van zachte materiedeeltjes keken, Janus-colloïden genaamd, die Granick eerder ontwikkelde, ze merkten op dat de deeltjes zichzelf soms op soort sorteerden. Vernoemd naar de Romeinse god met twee gezichten, de bolletjes ter grootte van een micron hebben een halve bol die is bedekt met een dunne metalen laag. Ze drijven zichzelf voort in aanwezigheid van een elektrisch veld, en wanneer een roterend magnetisch veld wordt aangelegd, ze bewegen in cirkels. In aanwezigheid van deze velden, ongeveer 50 procent van de colloïden oriënteert hun met metaal beklede halfrond in dezelfde richting. De overige 50 procent staat in de tegenovergestelde richting.

"Als de tegengesteld georiënteerde deeltjes in cirkels bewegen, ze botsen tegen elkaar en worden uit hun baan geslingerd, zei Luijten, hoogleraar materiaalkunde en techniek, technische wetenschappen en toegepaste wiskunde, en natuurkunde en astronomie. "De deeltjes worden nog steeds uit hun banen geschopt totdat ze alleen worden omringd door hetzelfde type. Naar rechts gerichte deeltjes worden omringd door andere naar rechts gerichte deeltjes, en naar links gerichte deeltjes worden omringd door andere naar links gerichte deeltjes."

Granick en zijn team herkenden dit gedrag als fasescheiding, wat kenmerkend is voor stoffen in evenwicht. Wanneer fasescheiding optreedt, een mengsel van twee of meer vloeistoffen scheidt zich in lagen. De meesten zijn getuige geweest van fasescheiding bij het schudden van een saladedressing met olievinaigrette. Nadat de dressing is uitgehard, het laagje olie bezinkt bovenop het laagje azijn.

"Ze merkten fasescheiding op in een systeem dat uit evenwicht was, "Zei Han. "Soms zagen ze een duidelijke fasescheiding, maar andere keren, ze zagen helemaal geen fasescheiding."

Langdurige medewerkers, Granick en Luijten dachten samen over het mysterie na. Het team van Luijten herhaalde het experiment in computersimulaties en ontdekte dat alleen wanneer de deeltjes met kleine radii roteerden, ze uit elkaar gingen. Ze stelden vast dat de lengte van de straal de sleutel was.

De wetten van de thermodynamica definiëren relaties tussen temperatuur en energie voor alle evenwichtssystemen. Door de temperatuur van het systeem te kennen, wetenschappers kunnen voorspellingen doen over de andere eigenschappen ervan. Luijten, Granick, en hun teams ontdekten dat in hun niet-evenwichtssysteem de straal op dezelfde manier functioneerde als de temperatuur als controleparameter.

"We ontdekten dat alles wat je regelt door temperatuur in evenwicht, in plaats daarvan afhangt van de straal in ons systeem, " zei Luijten. "Het is een generaal, fundamentele verklaring die een startpunt is voor meer verkenning. Het geeft een beetje hoop dat we algemene richtlijnen kunnen ontwikkelen voor niet-evenwichtssystemen."