Entropi, måttet på störning i ett fysiskt system, är något som fysiker förstår väl när system är i jämvikt, vilket betyder att det inte finns någon yttre kraft som kastar saker ur vädret. Men ny forskning av Brown University fysiker tar idén om entropi ur dess jämviktskomfortzon.

Forskningen, publicerad i Fysiska granskningsbrev , beskriver ett experiment där uppkomsten av ett icke-jämviktsfenomen faktiskt kräver en entropisk hjälp.

"Det är inte klart vad entropi ens betyder när du rör dig bort från jämvikt, så att ha detta samspel mellan ett icke-jämviktsfenomen och ett entropiskt tillstånd är överraskande, sa Derek Stein, en Brown University fysiker och medförfattare till arbetet. "Det är spänningen mellan dessa två grundläggande saker som är så intressant."

Fenomenet som forskningen undersökte är känt som "gigantisk acceleration av diffusion, " eller GAD. Diffusion är termen som används för att beskriva i vilken utsträckning små, jiggling partiklar sprids ut. Jigglet hänvisar till Brownsk rörelse, som beskriver slumpmässiga rörelser av små partiklar till följd av kollisioner med omgivande partiklar. År 2001, en grupp forskare utvecklade en teori om hur Brownska partiklar skulle diffundera i ett system som trängdes ur jämvikt.

Föreställ dig jiggling partiklar arrangerade på en yta med böljande gupp som en tvättbräda. Deras jiggle är inte riktigt tillräckligt stor för att partiklarna ska kunna hoppa över gupparna i brädan, så de sprider sig inte så mycket alls. Dock, om brädan lutades i någon grad (med andra ord, flyttas ur jämvikt) skulle gupparna bli lättare att hoppa över i riktning nedåt. När lutningen börjar öka, vissa partiklar kommer att vicka loss från tvättbrädans barriärer och rinna ner på brädan, medan andra stannar kvar. I fysik termer, partiklarna har blivit mer diffusiva – mer utspridda – när systemet flyttas ur jämvikt. GAD-teorin kvantifierar denna diffusivitetseffekt och förutspår att när lutningen börjar öka, diffusiviteten accelererar. När lutningen passerar punkten där alla partiklar kan vicka fritt och röra sig nedför tvättbrädan, då minskar diffusiviteten igen.

Teorin är viktig, Stein säger, eftersom det är ett av bara ett fåtal försök att göra solida förutsägelser om hur system beter sig borta från jämvikt. Det har testats i några andra inställningar och har visat sig göra korrekta förutsägelser.

Men Stein och hans team ville testa teorin i en obekant miljö - en som introducerar entropi i mixen.

För experimentet, Stein och hans kollegor placerade DNA-strängar i nanofluidkanaler - i huvudsak, små vätskefyllda korridorer genom vilka molekylerna kunde färdas. Kanalerna var dock kantade med nanopits - små rektangulära fördjupningar som skapar djupa fläckar inom de relativt smalare kanalerna. Vid jämvikt, DNA-molekyler tenderar att ordna sig i oordnade, spagettiliknande bollar. Som ett resultat, när en molekyl letar sig in i en nanopit där den har mer utrymme att bilda en oordnad boll, det tenderar att sitta fast där. Groparna kan ses som något som fallen mellan gupp på den teoretiska GAD-tvättbrädan, men med en kritisk skillnad:Det enda som faktiskt håller molekylen i gropen är entropi.

"Den här molekylen rör sig slumpmässigt runt i gropen - och väljer slumpmässigt olika konfigurationer att vara i - och antalet möjliga konfigurationer är ett mått på molekylens entropi, " förklarade Stein. "Det kunde, vid något tillfälle, landa på en konfiguration som är tillräckligt tunn för att passa in i kanalen utanför gropen, vilket skulle göra det möjligt för den att flytta från en grop till en annan. Men det är osannolikt eftersom det finns så många fler former som inte går igenom än former som gör det. Så gropen blir en 'entropisk barriär'."

Stein och hans kollegor ville se om den icke-jämviktiga GAD-dynamiken fortfarande skulle uppstå i ett system där barriärerna var entropiska. De använde en pump för att applicera tryck på nanofluidkanalerna, pressa dem ur jämvikt. De mätte sedan hastigheterna för varje molekyl för att se om GAD uppstod. Det de såg var i stort sett i linje med GAD-teorin. När trycket ökade mot en kritisk punkt, molekylernas diffusivitet ökade – vilket betyder att vissa molekyler svävade över kanalen medan andra stannade fast i sina gropar.

"Det var inte alls klart hur detta experiment skulle komma ut, " sa Stein. "Detta är ett fenomen som inte är jämvikt som kräver barriärer, men våra barriärer är entropiska och vi förstår inte entropi bort från jämvikt."

Det faktum att barriärerna kvarstod väcker intressanta frågor om entropins natur, säger Stein.

"Icke-jämvikt och entropi är två begrepp som är lite motstridiga, men vi visar en situation där det ena beror på det andra, " sa han. "Så vad är den vägledande principen som talar om vad avvägningen är mellan de två? Svaret är:Vi har ingen, men kanske experiment som detta kan börja ge oss ett fönster in i det."

Förutom de mer djupgående konsekvenserna, det kan också finnas praktiska tillämpningar för fynden, säger Stein. Forskarna visade att de kunde uppskatta de små piconewtonkrafterna som driver DNA:t framåt bara genom att analysera molekylernas rörelse. Som referens, en newtons kraft är ungefär vikten av ett genomsnittligt äpple. En piconewton är en biljondel av det.

Experimentet visade också att med rätt mängd tryck, DNA-molekylernas diffusivitet ökade med faktor 15. Så en liknande teknik kan vara användbar för att snabbt göra blandningar. Om en sådan teknik utvecklades för att dra fördel av GAD, det skulle vara en första, säger Stein.

"Ingen har någonsin utnyttjat ett icke-jämviktsfenomen för något sådant, " sa han. "Så det skulle verkligen vara en intressant möjlighet."