La entropía, la medida del desorden en un sistema físico, es algo que los físicos entienden bien cuando los sistemas están en equilibrio, lo que significa que no hay fuerza externa que arroje cosas fuera de lugar. Pero una nueva investigación realizada por físicos de la Universidad de Brown saca la idea de la entropíasu zona de equilibrio de confort.
La investigación, publicada en Cartas de revisión física , describe un experimento en el que la aparición de un fenómeno de no equilibrio en realidad requiere una ayuda entrópica.
"No está claro qué significa la entropía incluso cuando te alejas del equilibrio, por lo que es sorprendente tener esta interacción entre un fenómeno de no equilibrio y un estado entrópico", dijo Derek Stein, físico y coautor de la Universidad de Browndel trabajo: "Es la tensión entre estas dos cosas fundamentales lo que es tan interesante".
El fenómeno que investigó la investigación se conoce como "aceleración gigante de la difusión", o TAG. Difusión es el término utilizado para describir el grado en que se esparcen las partículas pequeñas que se mueven. La sacudida se refiere al movimiento browniano, que describe el movimiento aleatoriode partículas pequeñas como resultado de colisiones con partículas circundantes. En 2001, un grupo de investigadores desarrolló una teoría de cómo las partículas brownianas se difundirían en un sistema que se desequilibraba.
Imagine que se agitan las partículas dispuestas en una superficie con protuberancias onduladas como una tabla de lavar. Su oscilación no es lo suficientemente grande como para permitir que las partículas salten sobre las protuberancias en el tablero, por lo que no se difunden mucho en absoluto. Sin embargo, sila tabla estaba inclinada hasta cierto punto en otras palabras, fuera de equilibrio las protuberancias serían más fáciles de saltar en la dirección hacia abajo. A medida que la inclinación comienza a aumentar, algunas partículas se sacudirán para liberarse de las barreras de la tabla de lavar y caeránel tablero, mientras que otros permanecerán en su lugar. En términos físicos, las partículas se han vuelto más difusivas, más dispersas, a medida que el sistema se sale del equilibrio. La teoría GAD cuantifica este efecto de difusividad y predice que a medida que la inclinación comienza aaumenta, la difusividad se acelera. Cuando la inclinación pasa el punto donde todas las partículas pueden moverse libremente hacia abajo y bajar la tabla de lavar, entonces la difusividad disminuye nuevamente.
La teoría es importante, dice Stein, porque es uno de los pocos intentos de hacer predicciones sólidas sobre cómo los sistemas se comportan fuera del equilibrio. Se ha probado en algunos otros entornos y se ha descubierto que hace predicciones precisas.
Pero Stein y su equipo querían probar la teoría en un entorno desconocido, uno que introduce la entropía en la mezcla.
Para el experimento, Stein y sus colegas colocaron hebras de ADN en canales nanofluídicos, esencialmente, pequeños pasillos llenos de líquido a través de los cuales las moléculas podían viajar. Sin embargo, los canales estaban revestidos con nanopits, pequeñas depresiones rectangulares que crean puntos profundos dentro delcanales relativamente más estrechos. En el equilibrio, las moléculas de ADN tienden a organizarse en bolas desordenadas, como espaguetis. Como resultado, cuando una molécula llega a un nanopit donde tiene más espacio para formar una bola desordenada, tiende a quedarse atascadaLos agujeros se pueden ver como algo así como las inmersiones entre golpes en la tabla de lavar GAD teórica, pero con una diferencia crítica: lo único que realmente mantiene la molécula en el pozo es la entropía.
"Esta molécula se mueve aleatoriamente en el pozo, seleccionando aleatoriamente diferentes configuraciones para estar dentro, y el número de configuraciones posibles es una medida de la entropía de la molécula", explicó Stein. "Podría, en algún momento, aterrizaren una configuración que sea lo suficientemente delgada como para caber en el canal fuera del pozo, lo que le permitiría moverse de un pozo a otro. Pero eso es poco probable porque hay muchas más formas que no atraviesan que las formas que sí lo hacen.hoyo se convierte en una 'barrera entrópica' "
Stein y sus colegas querían ver si la dinámica GAD sin equilibrio aún emergería en un sistema donde las barreras eran entrópicas. Usaron una bomba para aplicar presión a los canales nanofluídicos, sacándolos del equilibrio. Luego midieron elvelocidades de cada molécula para ver si surgió GAD. Lo que vieron fue en gran medida acorde con la teoría GAD. A medida que la presión aumentaba hacia un punto crítico, aumentaba la difusividad de las moléculas, lo que significaba que algunas moléculas atravesaban el canal mientras otras permanecían atrapadas.en sus pozos
"No estaba del todo claro cómo saldría este experimento", dijo Stein. "Este es un fenómeno de no equilibrio que requiere barreras, pero nuestras barreras son entrópicas y no entendemos la entropía fuera del equilibrio".
El hecho de que las barreras permanecieron plantea preguntas interesantes sobre la naturaleza de la entropía, dice Stein.
"El no equilibrio y la entropía son dos conceptos que están en desacuerdo, pero mostramos una situación en la que uno depende del otro", dijo. "Entonces, ¿cuál es el principio rector que dice cuál es la compensación entre los dos"La respuesta es: no tenemos uno, pero tal vez experimentos como este pueden comenzar a darnos una ventana".
Además de las implicaciones más profundas, también puede haber aplicaciones prácticas para los hallazgos, dice Stein. Los investigadores demostraron que podían estimar las pequeñas fuerzas de piconewton que empujaban el ADN hacia adelante simplemente analizando el movimiento de las moléculas. Como referencia, unonewton of force es aproximadamente el peso de una manzana promedio. Un piconewton es una billonésima parte de eso.
El experimento también mostró que, con la cantidad correcta de presión, la difusividad de las moléculas de ADN se incrementó en un factor de 15. Por lo tanto, una técnica similar podría ser útil para hacer mezclas rápidamente. Si dicha técnica se desarrollara para aprovecharGAD, sería la primera, dice Stein.
"Nadie jamás ha aprovechado un fenómeno de no equilibrio para algo así", dijo. "Así que ciertamente sería una posibilidad interesante".
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Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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