entropia, la misura del disordine in un sistema fisico, è qualcosa che i fisici capiscono bene quando i sistemi sono in equilibrio, il che significa che non c'è nessuna forza esterna che butti fuori le cose. Ma una nuova ricerca dei fisici della Brown University porta l'idea di entropia fuori dalla sua zona di comfort di equilibrio.

La ricerca, pubblicato in Lettere di revisione fisica , descrive un esperimento in cui l'emergere di un fenomeno di non equilibrio richiede effettivamente un aiuto entropico.

"Non è chiaro cosa significhi entropia anche quando ti allontani dall'equilibrio, quindi avere questa interazione tra un fenomeno di non equilibrio e uno stato entropico è sorprendente, " ha detto Derek Stein, un fisico della Brown University e coautore del lavoro. "È la tensione tra queste due cose fondamentali che è così interessante".

Il fenomeno indagato dalla ricerca è noto come "gigante accelerazione di diffusione, " o GAD. Diffusione è il termine usato per descrivere la misura in cui piccoli, particelle tremolanti sparse. Il jiggling si riferisce al moto browniano, che descrive il movimento casuale di piccole particelle a seguito di collisioni con particelle circostanti. Nel 2001, un gruppo di ricercatori ha sviluppato una teoria su come le particelle browniane si diffonderebbero in un sistema che è stato spinto fuori dall'equilibrio.

Immaginate particelle tremolanti disposte su una superficie con dossi ondulati come un'asse per lavare. Il loro tremolio non è abbastanza grande da consentire alle particelle di saltare sopra i dossi del tabellone, quindi non diffondono molto. Però, se la tavola fosse in qualche modo inclinata (in altre parole, spostato dall'equilibrio) i dossi diventerebbero più facili da saltare nella direzione rivolta verso il basso. Quando l'inclinazione inizia ad aumentare, alcune particelle si libereranno dalle barriere dell'asse per lavare e cadranno lungo l'asse, mentre altri rimarranno fermi. In termini fisici, le particelle sono diventate più diffusive, più estese, man mano che il sistema viene spostato fuori dall'equilibrio. La teoria GAD quantifica questo effetto di diffusività e prevede che quando l'inclinazione inizia ad aumentare, la diffusività accelera. Quando l'inclinazione supera il punto in cui tutte le particelle sono in grado di muoversi liberamente e di scendere lungo l'asse di lavaggio, quindi la diffusività diminuisce di nuovo.

La teoria è importante, Stein dice, perché è uno dei pochi tentativi di fare previsioni solide su come i sistemi si comportano lontano dall'equilibrio. È stato testato in alcune altre impostazioni ed è stato trovato per fare previsioni accurate.

Ma Stein e il suo team volevano testare la teoria in un ambiente sconosciuto, uno che introducesse l'entropia nel mix.

Per l'esperimento, Stein e i suoi colleghi hanno posizionato filamenti di DNA in canali nanofluidici, essenzialmente, minuscoli corridoi pieni di liquido attraverso i quali le molecole potrebbero viaggiare. I canali erano tuttavia rivestiti con nanopozzi, piccole depressioni rettangolari che creano punti profondi all'interno dei canali relativamente più stretti. All'equilibrio, Le molecole di DNA tendono a disporsi in modo disordinato, palline tipo spaghetti. Di conseguenza, quando una molecola si fa strada in un nanopit dove ha più spazio per formare una palla disordinata, tende a rimanere bloccato lì. I pozzi possono essere visti come un po' come i tuffi tra i dossi sull'asse di lavaggio GAD teorico, ma con una differenza fondamentale:l'unica cosa che tiene effettivamente la molecola nella fossa è l'entropia.

"Questa molecola si muove a caso nella fossa, selezionando casualmente diverse configurazioni in cui trovarsi, e il numero di possibili configurazioni è una misura dell'entropia della molecola, "Stein ha spiegato. "Potrebbe, ad un certo punto, atterrare su una configurazione abbastanza sottile da adattarsi al canale all'esterno della fossa, che gli avrebbe permesso di spostarsi da una fossa all'altra. Ma è improbabile perché ci sono molte più forme che non passano rispetto a quelle che lo fanno. Quindi la fossa diventa una "barriera entropica".

Stein ei suoi colleghi volevano vedere se la dinamica GAD di non equilibrio sarebbe ancora emergere in un sistema in cui le barriere erano entropiche. Hanno usato una pompa per applicare pressione ai canali nanofluidici, spingendoli fuori equilibrio. Hanno quindi misurato le velocità di ciascuna molecola per vedere se è emerso GAD. Quello che hanno visto era in gran parte in linea con la teoria GAD. Man mano che la pressione aumentava verso un punto critico, la diffusività delle molecole è aumentata, il che significa che alcune molecole hanno attraversato il canale mentre altre sono rimaste bloccate nelle loro fosse.

"Non era affatto chiaro come sarebbe uscito questo esperimento, "Stein ha detto. "Questo è un fenomeno di non equilibrio che richiede barriere, ma le nostre barriere sono entropiche e non comprendiamo l'entropia lontano dall'equilibrio."

Il fatto che le barriere siano rimaste solleva interessanti interrogativi sulla natura dell'entropia, dice Stein.

"Il non equilibrio e l'entropia sono due concetti che sono un po' in disaccordo, ma mostriamo una situazione in cui l'uno dipende dall'altro, " ha detto. "Allora qual è il principio guida che dice qual è il compromesso tra i due? La risposta è:non ne abbiamo uno, ma forse esperimenti come questo possono iniziare a darci una finestra su questo".

Oltre alle implicazioni più profonde, ci possono essere anche applicazioni pratiche per i risultati, dice Stein. I ricercatori hanno dimostrato di poter stimare le minuscole forze piconewton che spingono il DNA in avanti semplicemente analizzando il movimento delle molecole. Per riferimento, un newton di forza è all'incirca il peso di una mela media. Un piconewton è un trilionesimo di quello.

L'esperimento ha anche mostrato che, con la giusta pressione, la diffusività delle molecole di DNA è stata aumentata di un fattore 15. Quindi una tecnica simile potrebbe essere utile per realizzare miscele rapidamente. Se una tale tecnica fosse sviluppata per sfruttare il GAD, sarebbe il primo, dice Stein.

"Nessuno ha mai sfruttato un fenomeno di non equilibrio per qualcosa del genere, " ha detto. "Quindi sarebbe certamente una possibilità interessante."