(a) Ett linjärt koordinatsystem av X inducerad av den stökiometriska matrisen S . Det blå planet representerar det stökiometriska delrummet P X (η). (b) Det stökiometriska grenröret V Y (η) (den blå krökta ytan) erhålls genom att kartlägga P X (η) till Y genom Legendre-transformationen ∂φ. Kredit:Physical Review Research (2022). DOI:10.1103/PhysRevResearch.4.033066
Att förlora energi är sällan bra, men nu har forskare i Japan visat hur man kan utöka tillämpbarheten av termodynamiken till system som inte är i jämvikt. Genom att koda energiförlustrelationerna på ett geometriskt sätt kunde de gjuta de fysiska begränsningarna i ett generaliserat geometriskt utrymme. Detta arbete kan avsevärt förbättra vår förståelse av kemiska reaktionsnätverk, inklusive de som ligger till grund för metabolismen och tillväxten av levande organismer.
Termodynamik är den gren av fysiken som behandlar de processer genom vilka energi överförs mellan enheter. Dess förutsägelser är avgörande för både kemi och biologi när man avgör om vissa kemiska reaktioner, eller sammanlänkade nätverk av reaktioner, kommer att fortgå spontant. Men medan termodynamiken försöker etablera en allmän beskrivning av makroskopiska system, stöter vi ofta på svårigheter att arbeta med systemet utanför jämvikt. Framgångsrika försök att utvidga ramverket till icke-jämviktssituationer har vanligtvis endast begränsats till specifika system och modeller.
I två nyligen publicerade studier i Physical Review Research , visade forskare från Institute of Industrial Science vid University of Tokyo att komplexa olinjära kemiska reaktionsprocesser kunde beskrivas genom att omvandla problemet till en geometrisk dubbel representation. "Med vår struktur kan vi utöka teorier om icke-jämviktssystem med kvadratiska dissipationsfunktioner till mer allmänna fall, som är viktiga för att studera kemiska reaktionsnätverk", säger första författaren Tetsuya J. Kobayashi.
Inom fysiken är dualitet ett centralt begrepp. Vissa fysiska enheter är lättare att tolka när de omvandlas till en annan, men matematiskt likvärdig, representation. Som ett exempel kan en våg i tidsrummet omvandlas till dess representation i frekvensrummet, vilket är dess dubbla form. När man arbetar med kemiska processer, termodynamisk kraft och flöde är de icke-linjärt relaterade dubbla representationerna - deras produkt leder till den hastighet med vilken energi går förlorad till förlust - i ett geometriskt utrymme inducerat av dualiteten, kunde forskarna visa hur termodynamiska samband kan generaliseras även i icke-jämviktsfall.
"De flesta tidigare studier av kemiska reaktionsnätverk förlitade sig på antaganden om systemets kinetik. Vi visade hur de kan hanteras mer generellt i fallet med icke-jämvikt genom att använda dualiteten och tillhörande geometri", säger sist författare Yuki Sughiyama. Att ha en mer universell förståelse av termodynamiska system, och utvidga tillämpbarheten av icke-jämviktstermodynamik till fler discipliner, kan ge en bättre utsiktspunkt för att analysera eller designa komplexa reaktionsnätverk, såsom de som används i levande organismer eller industriella tillverkningsprocesser. + Utforska vidare
