p Entropia, a medida da desordem em um sistema físico, é algo que os físicos entendem bem quando os sistemas estão em equilíbrio, o que significa que não há nenhuma força externa desequilibrando as coisas. Mas uma nova pesquisa dos físicos da Brown University tira a ideia de entropia de sua zona de conforto de equilíbrio. p A pesquisa, publicado em Cartas de revisão física , descreve um experimento no qual o surgimento de um fenômeno de não equilíbrio realmente requer uma assistência entrópica.

p "Não está claro o que entropia significa quando você se afasta do equilíbrio, então ter essa interação entre um fenômeno de não equilíbrio e um estado entrópico é surpreendente, "disse Derek Stein, um físico da Brown University e co-autor do trabalho. "É a tensão entre essas duas coisas fundamentais que é tão interessante."

p O fenômeno que a pesquisa investigou é conhecido como "aceleração gigante de difusão, "ou GAD. Difusão é o termo usado para descrever até que ponto, partículas oscilantes se espalham. O balançar se refere ao movimento browniano, que descreve o movimento aleatório de pequenas partículas como resultado de colisões com partículas circundantes. Em 2001, um grupo de pesquisadores desenvolveu uma teoria de como as partículas brownianas se difundiriam em um sistema que foi empurrado para fora do equilíbrio.

p Imagine partículas balançando dispostas em uma superfície com saliências ondulantes como uma tábua de lavar. Seu jiggle não é grande o suficiente para permitir que as partículas saltem sobre as saliências no tabuleiro, então eles não se difundem muito. Contudo, se a placa estivesse inclinada em algum grau (em outras palavras, fora do equilíbrio), os solavancos se tornariam mais fáceis de saltar na direção voltada para baixo. Conforme a inclinação começa a aumentar, algumas partículas vão se soltar das barreiras da tábua de lavar e escorrer pela tábua, enquanto outros ficarão parados. Em termos de física, as partículas tornaram-se mais difusivas - mais espalhadas - à medida que o sistema se desequilibra. A teoria GAD quantifica esse efeito de difusividade e prevê que, à medida que a inclinação começa a aumentar, a difusividade acelera. Quando a inclinação passa do ponto onde todas as partículas são capazes de se soltar e se mover para baixo na tábua de lavar, então a difusividade diminui novamente.

p A teoria é importante, Stein diz, porque é uma das poucas tentativas de fazer previsões sólidas sobre como os sistemas se comportam fora do equilíbrio. Ele foi testado em algumas outras configurações e foi considerado capaz de fazer previsões precisas.

p Mas Stein e sua equipe queriam testar a teoria em um ambiente desconhecido - um que introduza entropia na mistura.

p Para o experimento, Stein e seus colegas colocaram fitas de DNA em canais nanofluídicos - essencialmente, minúsculos corredores cheios de fluido através dos quais as moléculas poderiam viajar. Os canais foram alinhados, entretanto, com nanopits - pequenas depressões retangulares que criam pontos profundos dentro dos canais relativamente mais estreitos. Em equilíbrio, As moléculas de DNA tendem a se organizar em desordem, bolas de espaguete. Como resultado, quando uma molécula encontra seu caminho para um nanopit, onde tem mais espaço para formar uma bola desordenada, ele tende a ficar preso aí. Os poços podem ser vistos como sendo as depressões entre as saliências na tábua de lavar teórica GAD, mas com uma diferença crítica:a única coisa que realmente mantém a molécula no fosso é a entropia.

p "Esta molécula está balançando aleatoriamente no poço - selecionando aleatoriamente diferentes configurações para estar - e o número de configurações possíveis é uma medida da entropia da molécula, "Stein explicou." Poderia, em algum ponto, pousar em uma configuração que é fina o suficiente para caber no canal fora do poço, o que permitiria que ele se movesse de um poço para outro. Mas isso é improvável porque há muito mais formas que não passam do que formas que passam. Portanto, o fosso se torna uma 'barreira entrópica'. "

p Stein e seus colegas queriam ver se a dinâmica GAD sem equilíbrio ainda emergiria em um sistema onde as barreiras eram entrópicas. Eles usaram uma bomba para aplicar pressão aos canais nanofluídicos, empurrando-os para fora do equilíbrio. Eles então mediram as velocidades de cada molécula para ver se surgia GAD. O que eles viram estava em grande parte de acordo com a teoria GAD. À medida que a pressão aumentava em direção a um ponto crítico, a difusividade das moléculas aumentou - o que significa que algumas moléculas cruzaram o canal enquanto outras permaneceram presas em seus poços.

p "Não estava nada claro como esse experimento sairia, "Stein disse." Este é um fenômeno de não equilíbrio que requer barreiras, mas nossas barreiras são entrópicas e não entendemos a entropia longe do equilíbrio. "

p O fato de que as barreiras permaneceram levanta questões interessantes sobre a natureza da entropia, Stein diz.

p "O desequilíbrio e a entropia são dois conceitos que estão em desacordo, mas mostramos uma situação em que um depende do outro, "ele disse." Então, qual é o princípio orientador que diz qual é a compensação entre os dois? A resposta é:não temos um, mas talvez experimentos como esse possam nos dar uma janela para isso. "

p Além das implicações mais profundas, também pode haver aplicações práticas para as descobertas, Stein diz. Os pesquisadores mostraram que podiam estimar as pequenas forças de piconewton que empurram o DNA para a frente apenas analisando o movimento das moléculas. Para referência, um newton de força é aproximadamente o peso de uma maçã média. Um piconewton é um trilionésimo disso.

p O experimento também mostrou que, com a quantidade certa de pressão, a difusividade das moléculas de DNA foi aumentada por fator de 15. Portanto, uma técnica semelhante poderia ser útil para fazer misturas rapidamente. Se tal técnica fosse desenvolvida para tirar proveito do GAD, seria a primeira vez, Stein diz.

p "Ninguém jamais aproveitou um fenômeno de desequilíbrio para algo assim, "ele disse." Então essa certamente seria uma possibilidade interessante. "