Energie verliezen is zelden goed, maar nu hebben onderzoekers in Japan laten zien hoe de toepasbaarheid van thermodynamica kan worden uitgebreid naar systemen die niet in evenwicht zijn. Door de energiedissipatierelaties op een geometrische manier te coderen, waren ze in staat om de fysieke beperkingen in een algemene geometrische ruimte te plaatsen. Dit werk kan ons begrip van chemische reactienetwerken aanzienlijk verbeteren, inclusief die welke ten grondslag liggen aan het metabolisme en de groei van levende organismen.

Thermodynamica is de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met de processen waarmee energie wordt overgedragen tussen entiteiten. Zijn voorspellingen zijn cruciaal voor zowel scheikunde als biologie bij het bepalen of bepaalde chemische reacties, of onderling verbonden netwerken van reacties, spontaan zullen verlopen. Hoewel de thermodynamica probeert een algemene beschrijving van macroscopische systemen te maken, ondervinden we vaak moeilijkheden bij het werken aan het systeem dat uit evenwicht is. Succesvolle pogingen om het raamwerk uit te breiden naar situaties die niet in evenwicht zijn, zijn meestal beperkt gebleven tot specifieke systemen en modellen.

In twee recent gepubliceerde onderzoeken in Physical Review Research , hebben onderzoekers van het Instituut voor Industriële Wetenschappen van de Universiteit van Tokyo aangetoond dat complexe niet-lineaire chemische reactieprocessen kunnen worden beschreven door het probleem om te zetten in een geometrische dubbele weergave. "Met onze structuur kunnen we theorieën over niet-evenwichtssystemen met kwadratische dissipatiefuncties uitbreiden naar meer algemene gevallen, die belangrijk zijn voor het bestuderen van chemische reactienetwerken", zegt eerste auteur Tetsuya J. Kobayashi.

In de natuurkunde is dualiteit een centraal begrip. Sommige fysieke entiteiten zijn gemakkelijker te interpreteren wanneer ze worden omgezet in een andere, maar wiskundig equivalente representatie. Een golf in de tijdruimte kan bijvoorbeeld worden getransformeerd in zijn representatie in de frequentieruimte, wat zijn dubbele vorm is. Bij het omgaan met chemische processen zijn thermodynamische kracht en flux de niet-lineair gerelateerde dubbele representaties - hun product leidt tot de snelheid waarmee energie verloren gaat aan dissipatie - in een geometrische ruimte veroorzaakt door de dualiteit, konden de wetenschappers laten zien hoe thermodynamische relaties kunnen worden gegeneraliseerd, zelfs in gevallen die niet in evenwicht zijn.

"De meeste eerdere studies van chemische reactienetwerken waren gebaseerd op aannames over de kinetiek van het systeem. We hebben laten zien hoe ze in het geval van niet-evenwicht kunnen worden aangepakt door gebruik te maken van de dualiteit en de bijbehorende geometrie", zegt de laatste auteur Yuki Sughiyama. Het hebben van een meer universeel begrip van thermodynamische systemen en het uitbreiden van de toepasbaarheid van thermodynamica zonder evenwicht naar meer disciplines, kan een beter uitgangspunt zijn voor het analyseren of ontwerpen van complexe reactienetwerken, zoals die worden gebruikt in levende organismen of industriële productieprocessen. + Verder verkennen

De thermodynamica van het leven krijgt vorm