Los científicos conocen desde hace mucho tiempo los entresijos de la termodinámica del equilibrio. Los sistemas en equilibrio, un estado estable de equilibrio invariable, se rigen por un conjunto ordenado de reglas, haciéndolos predecibles y fáciles de explorar.

"En equilibrio, hay un marco fantástico que está muy bien probado. Casi no hay suposiciones, ", dijo Erik Luijten de Northwestern Engineering." El problema es que la mayoría de los sistemas en la naturaleza no están en equilibrio. Para esos, no tenemos un marco útil con las mismas capacidades predictivas ".

Ahora, un equipo internacional con miembros de lados opuestos del mundo ha descubierto evidencia de que podría existir un marco ordenado para los sistemas que no están en equilibrio. Dirigido por Luijten y Steve Granick del Instituto de Ciencias Básicas de Corea (IBS), el equipo encontró un sistema de no equilibrio que se comporta cuantitativamente como un sistema de equilibrio. El hallazgo podría conducir a un conjunto de reglas que permitan predecir las propiedades de los sistemas que no están en equilibrio, que experimentan cambios constantes de energía y son necesarios para todas las formas de vida.

"Tolstoi dijo, 'Todas las familias felices son iguales; cada familia infeliz es infeliz a su manera ”. Esto es exactamente lo que los científicos han pensado sobre los sistemas de equilibrio frente a los sistemas que no lo son. Todos los sistemas de equilibrio son similares, pero cada sistema en desequilibrio es desequilibrio a su manera, "dijo Granick, quien dirige el IBS Center for Soft and Living Matter. "Descubrimos que estos sistemas aparentemente impredecibles podrían ser predecibles después de todo".

Apoyado por el IBS, Departamento de Energía de EE. UU., y la National Science Foundation, la investigación se publicó en línea en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . Luijten y Granick son los coautores correspondientes del artículo. Ming Han, estudiante de doctorado en el laboratorio de Luijten, y Jing Yan, un ex estudiante de posgrado en la Universidad de Illinois, sirvieron como co-primeros autores del artículo.

La investigación se vio estimulada cuando Granick y Yan notaron algo extraño en el laboratorio. Mientras observaban una mezcla aleatoria de partículas de materia blanda llamadas coloides de Janus, que Granick desarrolló previamente, observaron que las partículas a veces se clasificaban por tipo. Nombrado en honor al dios romano con dos caras, las esferas del tamaño de una micra tienen un hemisferio recubierto con una fina capa de metal. Se autopropulsa en presencia de un campo eléctrico, y cuando se aplica un campo magnético giratorio, se mueven en círculos. En presencia de estos campos, aproximadamente el 50 por ciento de los coloides orientan su hemisferio recubierto de metal en la misma dirección. El 50 por ciento restante mira en la dirección opuesta.

"Cuando las partículas de orientación opuesta se mueven en círculos, chocan entre sí y son expulsados ​​de su órbita, "dijo Luijten, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, ciencias de la ingeniería y matemáticas aplicadas, y física y astronomía. "Las partículas continúan siendo expulsadas de sus órbitas hasta que solo están rodeadas por el mismo tipo. Las partículas que miran hacia la derecha están rodeadas por otras partículas que miran hacia la derecha, y las partículas que miran hacia la izquierda están rodeadas por otras partículas que miran hacia la izquierda ".

Granick y su equipo reconocieron este comportamiento como separación de fases, que es característico de las sustancias en equilibrio. Cuando ocurre la separación de fases, una mezcla de dos o más líquidos se separa en capas. La mayoría ha presenciado una separación de fases al agitar un aderezo para ensaladas con vinagreta de aceite. Después de que el vendaje se asiente, la capa de aceite se asienta sobre la capa de vinagre.

"Notaron una separación de fases en un sistema que estaba fuera de equilibrio, "Han dijo." A veces veían una clara separación de fases, pero otras veces, no vieron ninguna separación de fases ".

Colaboradores de mucho tiempo, Granick y Luijten reflexionaron juntos sobre el misterio. El equipo de Luijten repitió el experimento en simulaciones computacionales y descubrió que solo cuando las partículas rotaban con radios pequeños se separaban en fase. Señalaron que la longitud del radio era clave.

Las leyes de la termodinámica definen las relaciones entre la temperatura y la energía para todos los sistemas de equilibrio. Al conocer la temperatura del sistema, los científicos pueden hacer predicciones sobre sus otras propiedades. Luijten, Granick, y sus equipos encontraron que en su sistema de no equilibrio el radio funcionaba de manera similar a la temperatura como parámetro de control.

"Descubrimos que todo lo que controlas mediante la temperatura en equilibrio depende del radio de nuestro sistema, "Luijten dijo." Es un general, declaración fundamental que es un punto de partida para una mayor exploración. Da un poco de esperanza de que podamos desarrollar pautas generales para los sistemas que no están en equilibrio ".