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 ninguna fuerza externa que desequilibre las cosas. Pero una nueva investigación de los físicos de la Universidad de Brown saca la idea de la entropía de su zona de confort de equilibrio.

La investigación, publicado en Cartas de revisión física , describe un experimento en el que la aparición de un fenómeno de desequilibrio en realidad requiere una ayuda entrópica.

"No está claro qué significa la entropía cuando te estás alejando del equilibrio, por lo que es sorprendente tener esta interacción entre un fenómeno de no equilibrio y un estado entrópico, "dijo Derek Stein, un físico de la Universidad de Brown y coautor del 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 que se utiliza para describir el grado en que las partículas moviéndose se esparcen. El jiggling se refiere al movimiento browniano, que describe el movimiento aleatorio de 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 fue expulsado del equilibrio.

Imagine partículas moviéndose dispuestas en una superficie con protuberancias ondulantes como una tabla de lavar. Su movimiento no es lo suficientemente grande como para permitir que las partículas salten por encima de los baches del tablero, para que no se difundan mucho. Sin embargo, si el tablero estuviera inclinado hasta cierto punto (en otras palabras, fuera de equilibrio) los baches serían más fáciles de saltar en la dirección hacia abajo. A medida que la inclinación comienza a aumentar, algunas partículas se liberarán de las barreras de la tabla de lavar y se escurrirán por la tabla, mientras que otros se quedarán quietos. En términos de física, las partículas se han vuelto más difusas, más esparcidas, a medida que el sistema sale del equilibrio. La teoría GAD cuantifica este efecto de difusividad y predice que a medida que la inclinación comienza a aumentar, la difusividad se acelera. Cuando la inclinación pasa el punto donde todas las partículas pueden moverse libremente y bajar por la tabla de lavar, luego, la difusividad vuelve a disminuir.

La teoría es importante Stein dice:porque es uno de los pocos intentos de hacer predicciones sólidas sobre cómo se comportan los sistemas 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 cadenas de ADN en canales nanofluídicos, esencialmente, pasillos diminutos llenos de líquido a través de los cuales las moléculas podrían viajar. Sin embargo, los canales estaban revestidos con nanopits, pequeñas depresiones rectangulares que crean puntos profundos dentro de los canales relativamente más estrechos. En equilibrio, Las moléculas de ADN tienden a organizarse en desorden, bolas parecidas a espaguetis. Como resultado, cuando una molécula encuentra su camino hacia un nanopiso donde tiene más espacio para formar una bola desordenada, tiende a quedarse atascado allí. Los hoyos pueden verse como algo así como las caídas entre los golpes en la tabla de lavar teórica GAD, pero con una diferencia crítica:lo único que realmente mantiene a la molécula en el pozo es la entropía.

"Esta molécula se mueve al azar en el pozo, seleccionando al azar diferentes configuraciones para estar dentro, y el número de configuraciones posibles es una medida de la entropía de la molécula, "Stein explicó." Podría, en algún momento, aterrizar en 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 pasan que formas que sí. Así que el pozo se convierte en una 'barrera entrópica' ".

Stein y sus colegas querían ver si la dinámica de GAD de no equilibrio aún emergería en un sistema donde las barreras eran entrópicas. Utilizaron una bomba para aplicar presión a los canales de nanofluidos, empujándolos fuera del equilibrio. Luego midieron las velocidades de cada molécula para ver si surgía GAD. Lo que vieron fue en gran parte de acuerdo con la teoría GAD. A medida que la presión aumentaba hacia un punto crítico, la difusividad de las moléculas aumentó, lo que significa que algunas moléculas atravesaron el canal mientras que otras permanecieron atrapadas en sus fosas.

"No estaba del todo claro cómo saldría este experimento, "Stein dijo." 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 permanecieran 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 puedan comenzar a darnos una ventana hacia eso ".

Además de las implicaciones más profundas, También puede haber aplicaciones prácticas para los hallazgos, Dice Stein. Los investigadores demostraron que podían estimar las diminutas fuerzas de piconewton que empujan el ADN hacia adelante con solo analizar el movimiento de las moléculas. Para referencia, un newton de fuerza es aproximadamente el peso de una manzana promedio. Un piconewton es una billonésima parte de eso.

El experimento también mostró que, con la cantidad adecuada 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 se desarrollara una técnica de este tipo para aprovechar el GAD, sería la primera vez, Dice Stein.

"Nadie ha aprovechado un fenómeno de desequilibrio para algo así, ", dijo." Así que sin duda sería una posibilidad interesante ".