Forskare har länge känt till ins och outs av jämviktstermodynamiken. System i jämvikt – ett stabilt tillstånd av oföränderlig balans – styrs av en snygg uppsättning regler, gör dem förutsägbara och lätta att utforska.

"I jämvikt, det finns ett fantastiskt ramverk som är mycket väl testat. Det finns nästan inga antaganden, " sa Northwestern Engineerings Erik Luijten. "Problemet är att de flesta system i naturen inte är i jämvikt. För dem, vi har inte ett användbart ramverk med samma prediktiva kapacitet."

Nu har ett internationellt team med medlemmar från motsatta sidor av världen upptäckt bevis på att ett snyggt ramverk för icke-jämviktssystem bara kan existera. Leds av Luijten och Steve Granick från Koreas Institute for Basic Science (IBS), teamet hittade ett icke-jämviktssystem som kvantitativt beter sig som ett jämviktssystem. Fyndet kan leda till en uppsättning regler som gör det möjligt att förutsäga egenskaperna hos icke-jämviktssystem, som upplever ständiga förändringar i energi och som krävs för alla former av liv.

"Tolstoy sa, 'Alla lyckliga familjer är likadana; varje olycklig familj är olycklig på sitt sätt.' Detta är precis vad forskare har tänkt om jämviktssystem kontra icke-jämviktssystem. Alla jämviktssystem är lika, men varje icke-jämviktssystem är icke-jämvikt på sitt eget sätt, sa Granick, som leder IBS Center for Soft and Living Matter. "Vi fann att dessa till synes oförutsägbara system kan vara förutsägbara trots allt."

Med stöd av IBS, USA:s energidepartement, och National Science Foundation, forskningen publicerades online i Proceedings of the National Academy of Sciences . Luijten och Granick är tidningens medförfattare. Ming Han, en doktorand i Luijtens laboratorium, och Jing Yan, en före detta doktorand vid University of Illinois, fungerade som förstaförfattare av tidningen.

Forskningen stimulerades när Granick och Yan märkte något konstigt i laboratoriet. När de tittade på en slumpmässig blandning av mjukmaterialpartiklar som kallas Janus-kolloider, som Granick tidigare utvecklat, de observerade att partiklarna ibland sorterade sig själva efter typ. Uppkallad efter den romerska guden med två ansikten, de mikronstora sfärerna har en halvklot belagd med ett tunt metallskikt. De driver själv i närvaro av ett elektriskt fält, och när ett roterande magnetfält appliceras, de rör sig i cirklar. I närvaro av dessa fält, cirka 50 procent av kolloiderna orienterar sin metallbelagda halvklot i samma riktning. De återstående 50 procenten vänder sig åt motsatt håll.

"När de motsatt orienterade partiklarna rör sig i cirklar, de stöter på varandra och kastas ut ur sin omloppsbana, sade Luijten, professor i materialvetenskap och teknik, ingenjörsvetenskap och tillämpad matematik, och fysik och astronomi. "Partiklarna fortsätter att sparkas ut ur sina banor tills de bara är omgivna av samma typ. Högervända partiklar är omgivna av andra högervända partiklar, och vänstervända partiklar är omgivna av andra vänstervända partiklar."

Granick och hans team kände igen detta beteende som fasseparation, vilket är karakteristiskt för ämnen i jämvikt. När fasseparation inträffar, en blandning av två eller flera vätskor separeras i lager. De flesta har sett fasseparation när man skakar en salladsdressing med oljevinägrett. Efter att dressingen lagt sig, lagret av olja lägger sig ovanpå lagret av vinäger.

"De märkte fasseparation i ett system som var ur jämvikt, Han sa. "Ibland såg de tydlig fasseparation, men andra gånger, de såg inte fasseparation alls."

Långåriga medarbetare, Granick och Luijten funderade tillsammans över mysteriet. Luijtens team upprepade experimentet i beräkningssimuleringar och fann att först när partiklarna roterade med små radier fasseparerade de. De pekade på att längden på radien var nyckeln.

Termodynamikens lagar definierar sambanden mellan temperatur och energi för alla jämviktssystem. Genom att känna till systemets temperatur, forskare kan göra förutsägelser om dess andra egenskaper. Luijten, Granick, och deras team fann att i deras icke-jämviktssystem fungerade radien på samma sätt som temperaturen som en kontrollparameter.

"Vi upptäckte att allt du styr av temperatur i jämvikt istället beror på radien i vårt system, " sa Luijten. "Det är en general, grundläggande uttalande som är en utgångspunkt för mer utforskning. Det ger lite hopp om att vi skulle kunna utveckla allmänna riktlinjer för icke-jämviktssystem."