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    Il sistema spontaneo segue regole di equilibrio

    Uno schema che mostra la termodinamica di una miscela colloidale attiva. Spinto da campi elettromagnetici esterni, I colloidi di Giano compiono movimenti circolari, differenziazione dinamica in due specie. Variando il raggio di rotazione, il sistema può subire una transizione di fase del tutto analoga a quella di un fluido termico binario. Credito:Northwestern University

    Gli scienziati conoscono da tempo i pro ei contro della termodinamica dell'equilibrio. I sistemi in equilibrio - uno stato stabile di equilibrio immutabile - sono governati da un insieme ordinato di regole, rendendoli prevedibili e facili da esplorare.

    "In equilibrio, c'è un quadro fantastico che è molto ben testato. Non ci sono quasi ipotesi, ", ha affermato Erik Luijten della Northwestern Engineering. "Il problema è che la maggior parte dei sistemi in natura non sono in equilibrio. Per quelli, non abbiamo un quadro utile con le stesse capacità predittive".

    Ora un team internazionale con membri provenienti da parti opposte del mondo ha scoperto le prove che potrebbe esistere una struttura ordinata per i sistemi di non equilibrio. Guidato da Luijten e Steve Granick dell'Istituto coreano per le scienze di base (IBS), il team ha trovato un sistema di non equilibrio che si comporta quantitativamente come un sistema di equilibrio. La scoperta potrebbe portare a un insieme di regole che rende possibile prevedere le proprietà dei sistemi di non equilibrio, che sperimentano continui cambiamenti di energia e sono necessari per tutte le forme di vita.

    "Tolstoj ha detto, 'Tutte le famiglie felici sono uguali; ogni famiglia infelice è infelice a modo suo». Questo è esattamente ciò che gli scienziati hanno pensato sui sistemi di equilibrio rispetto ai sistemi di non equilibrio. Tutti i sistemi di equilibrio sono simili, ma ogni sistema di non equilibrio è disequilibrio a modo suo, " ha detto Granick, che dirige l'IBS Center for Soft and Living Matter. "Abbiamo scoperto che questi sistemi apparentemente imprevedibili potrebbero essere prevedibili, dopotutto".

    Supportato dall'IBS, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, e la Fondazione Nazionale della Scienza, la ricerca è stata pubblicata online nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Luijten e Granick sono gli autori corrispondenti dell'articolo. Ming Han, uno studente di dottorato nel laboratorio di Luijten, e Jing Yan, un ex studente laureato presso l'Università dell'Illinois, servito come co-primi autori del documento.

    La ricerca è stata stimolata quando Granick e Yan hanno notato qualcosa di strano in laboratorio. Mentre osservavano una miscela casuale di particelle di materia morbida chiamate colloidi di Janus, che Granick aveva precedentemente sviluppato, osservarono che a volte le particelle si ordinavano per tipo. Prende il nome dal dio romano con due facce, le sfere di dimensioni micron hanno una semisfera rivestita da un sottile strato di metallo. Si autospingono in presenza di un campo elettrico, e quando viene applicato un campo magnetico rotante, si muovono in cerchio. In presenza di questi campi, circa il 50 percento dei colloidi orienta il proprio emisfero rivestito di metallo nella stessa direzione. Il restante 50 per cento è rivolto nella direzione opposta.

    "Quando le particelle orientate in senso opposto si muovono in cerchio, si scontrano e vengono espulsi dalla loro orbita, " disse Luijten, professore di scienze e ingegneria dei materiali, scienze ingegneristiche e matematica applicata, e fisica e astronomia. "Le particelle continuano a essere espulse dalle loro orbite finché non sono circondate solo dallo stesso tipo. Le particelle rivolte a destra sono circondate da altre particelle rivolte a destra, e le particelle rivolte a sinistra sono circondate da altre particelle rivolte a sinistra."

    Granick e il suo team hanno riconosciuto questo comportamento come separazione di fase, caratteristica delle sostanze in equilibrio. Quando si verifica la separazione di fase, una miscela di due o più liquidi si separa in strati. La maggior parte ha assistito alla separazione di fase durante l'agitazione di un condimento per insalata con vinaigrette all'olio. Dopo che la medicazione si è depositata, lo strato di olio si deposita sopra lo strato di aceto.

    "Hanno notato la separazione di fase in un sistema che era fuori equilibrio, "Ha detto Han. "A volte hanno visto una netta separazione di fase, ma altre volte, non hanno visto affatto la separazione di fase".

    Collaboratori di lunga data, Granick e Luijten meditarono insieme sul mistero. Il team di Luijten ha ripetuto l'esperimento in simulazioni computazionali e ha scoperto che solo quando le particelle ruotavano con piccoli raggi si separavano in fase. Hanno individuato che la lunghezza del raggio era la chiave.

    Le leggi della termodinamica definiscono le relazioni tra temperatura ed energia per tutti i sistemi di equilibrio. Conoscendo la temperatura del sistema, gli scienziati possono fare previsioni sulle sue altre proprietà. Luijten, Grannico, e le loro squadre hanno scoperto che nel loro sistema di non equilibrio il raggio funzionava in modo simile alla temperatura come parametro di controllo.

    "Abbiamo scoperto che tutto ciò che controlli dalla temperatura in equilibrio dipende invece dal raggio nel nostro sistema, " Ha detto Luijten. "E 'un generale, affermazione fondamentale che è un punto di partenza per ulteriori esplorazioni. Dà un po' di speranza che si possano sviluppare linee guida generali per i sistemi di non equilibrio".

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