Penelitian mendorong konsep entropi keluar dari keteraturan

Anonim

Entropi, ukuran gangguan dalam sistem fisik, adalah sesuatu yang dipahami oleh fisikawan dengan baik ketika sistem berada pada ekuilibrium, yang berarti tidak ada kekuatan eksternal yang mengeluarkan benda-benda dari keteraturan. Tapi penelitian baru oleh fisikawan Universitas Brown mengambil gagasan entropi keluar dari zona kenyamanan ekuilibriumnya.

Penelitian, yang diterbitkan dalam Physical Review Letters, menggambarkan sebuah eksperimen di mana munculnya fenomena non-ekuilibrium sebenarnya membutuhkan bantuan entropik.

"Tidak jelas apa artinya entropi ketika Anda bergerak menjauh dari ekuilibrium, sehingga memiliki interaksi antara fenomena non-ekuilibrium dan keadaan entropik ini mengejutkan, " kata Derek Stein, fisikawan Universitas Brown dan rekan penulis kerja. "Ini adalah ketegangan antara dua hal mendasar yang sangat menarik."

Fenomena penelitian yang diselidiki dikenal sebagai "akselerasi akselerasi raksasa, " atau GAD. Difusi adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan sejauh mana partikel kecil bergoyang-goyang menyebar. Goncangan mengacu pada gerak Brown, yang menggambarkan gerakan acak partikel-partikel kecil sebagai akibat dari tabrakan dengan partikel di sekitarnya. Pada tahun 2001, sekelompok peneliti mengembangkan teori tentang bagaimana partikel Brownian akan berdifusi dalam sistem yang terdorong keluar dari kesetimbangan.

Bayangkan partikel bergoyang yang disusun di permukaan dengan tonjolan bergelombang seperti papan cuci. Goncangan mereka tidak cukup besar untuk memungkinkan partikel melompati benjolan di papan, sehingga mereka tidak menyebar sama sekali. Namun, jika papan miring ke tingkat tertentu (dengan kata lain, bergerak keluar dari kesetimbangan), tonjolan akan menjadi lebih mudah untuk dilompati ke arah yang menghadap ke bawah. Ketika kemiringan mulai meningkat, beberapa partikel akan bergoyang bebas dari rintangan papan cuci dan menuruni papan, sementara yang lain akan tetap diam. Dalam istilah fisika, partikel menjadi lebih difusif — lebih menyebar — karena sistem dipindahkan dari kesetimbangan. Teori GAD mengkuantifikasi efek difusivitas ini dan memprediksi bahwa ketika kemiringan mulai meningkat, difusivitas semakin cepat. Ketika kemiringan melewati titik di mana semua partikel mampu bergoyang bebas dan bergerak ke bawah papan cuci, maka difusivitas menurun lagi.

Teori ini penting, kata Stein, karena ini adalah salah satu dari hanya beberapa upaya untuk membuat prediksi yang kuat tentang bagaimana sistem berperilaku jauh dari kesetimbangan. Sudah diuji dalam beberapa pengaturan lain dan telah ditemukan untuk membuat prediksi yang akurat.

Tetapi Stein dan timnya ingin menguji teori itu dalam setting yang tidak dikenal — yang memperkenalkan entropi ke dalam campuran.

Untuk percobaan, Stein dan rekan-rekannya menempatkan untaian DNA ke saluran nanofluida - pada dasarnya, lorong-lorong kecil berisi cairan di mana molekul dapat melakukan perjalanan. Namun, saluran-salurannya berjajar dengan nanopit — depresi segi empat kecil yang menciptakan titik-titik dalam di dalam saluran yang relatif sempit. Pada kesetimbangan, molekul DNA cenderung mengatur diri dalam bola-bola yang tidak teratur dan spaghetti. Akibatnya, ketika sebuah molekul menemukan jalannya menjadi nanopit di mana ia memiliki lebih banyak ruang untuk membentuk bola yang tidak teratur, ia cenderung tetap terjebak di sana. Pit dapat dilihat sebagai agak seperti dips antara gundukan pada papan pencuci GAD teoritis, tetapi dengan perbedaan kritis: Satu-satunya hal yang benar-benar memegang molekul di pit adalah entropi.

"Molekul ini secara acak bergoyang-goyang di dalam lubang — secara acak memilih konfigurasi yang berbeda — dan jumlah kemungkinan konfigurasi adalah ukuran entropi molekul, " Stein menjelaskan. "Bisa, pada titik tertentu, mendarat di konfigurasi yang cukup tipis untuk masuk ke saluran di luar lubang, yang memungkinkannya berpindah dari satu lubang ke lubang lainnya. Tapi itu tidak mungkin karena ada begitu banyak bentuk yang tidak melalui daripada bentuk yang dilakukan. Jadi lubang menjadi 'penghalang entropik.' "

Stein dan rekan-rekannya ingin melihat apakah dinamika GAD non-equilibrium masih akan muncul dalam sistem di mana hambatannya adalah entropik. Mereka menggunakan pompa untuk menekan saluran nanofluida, mendorongnya keluar dari kesetimbangan. Mereka kemudian mengukur kecepatan setiap molekul untuk melihat apakah GAD muncul. Apa yang mereka lihat sebagian besar sesuai dengan teori GAD. Saat tekanan meningkat menuju titik kritis, difusivitas molekul meningkat — artinya beberapa molekul melompati saluran sementara yang lain tetap terjebak di pit mereka.

"Tidak jelas bagaimana eksperimen ini akan keluar, " kata Stein. "Ini adalah fenomena non-ekuilibrium yang membutuhkan hambatan, tetapi hambatan kami adalah entropik dan kami tidak memahami entropi yang jauh dari kesetimbangan."

Fakta bahwa penghalang tetap menimbulkan pertanyaan menarik tentang sifat entropi, kata Stein.

"Non-ekuilibrium dan entropi adalah dua konsep yang agak bertentangan, tetapi kami menunjukkan situasi di mana satu tergantung pada yang lain, " katanya. "Jadi, apa prinsip panduan yang memberi tahu apa tradeoff yang ada di antara keduanya? Jawabannya adalah: Kami tidak memilikinya, tapi mungkin eksperimen seperti ini bisa memberi kita jendela untuk itu."

Selain implikasi yang lebih mendalam, mungkin juga ada aplikasi praktis untuk temuan, Stein mengatakan. Para peneliti menunjukkan bahwa mereka dapat memperkirakan kekuatan piconewton kecil mendorong maju DNA hanya dengan menganalisis gerakan molekul. Untuk referensi, satu newton of force kira-kira berat dari rata-rata apel. Piconewton adalah satu triliun dari itu.

Percobaan juga menunjukkan bahwa, dengan jumlah tekanan yang tepat, difusivitas molekul DNA meningkat dengan faktor 15. Jadi teknik yang sama bisa berguna dalam membuat campuran dengan cepat. Jika teknik semacam itu dikembangkan untuk memanfaatkan GAD, itu akan menjadi yang pertama, kata Stein.

"Tidak ada yang pernah memanfaatkan fenomena non-ekuilibrium untuk hal seperti itu, " katanya. "Jadi itu pasti akan menjadi kemungkinan yang menarik."

menu
menu