Os cientistas há muito conhecem os meandros da termodinâmica de equilíbrio. Sistemas em equilíbrio - um estado estável de equilíbrio imutável - são governados por um conjunto organizado de regras, tornando-os previsíveis e fáceis de explorar.

"Em equilibrio, há uma estrutura fantástica que foi muito bem testada. Quase não há suposições, "disse Erik Luijten da Northwestern Engineering." O problema é que a maioria dos sistemas na natureza não está em equilíbrio. Para aqueles, não temos uma estrutura útil com os mesmos recursos preditivos. "

Agora, uma equipe internacional com membros de lados opostos do mundo descobriu evidências de que uma estrutura simples para sistemas de não equilíbrio simplesmente pode existir. Liderado por Luijten e Steve Granick do Instituto Coreano de Ciências Básicas (IBS), a equipe encontrou um sistema de não equilíbrio que quantitativamente se comporta como um sistema de equilíbrio. A descoberta pode levar a um conjunto de regras que torna possível prever as propriedades de sistemas em desequilíbrio, que experimentam constantes mudanças de energia e são necessárias para todas as formas de vida.

"Tolstoi disse, 'Todas as famílias felizes são iguais; cada família infeliz é infeliz à sua maneira. ' Isso é exatamente o que os cientistas pensaram sobre sistemas de equilíbrio versus sistemas de não equilíbrio. Todos os sistemas de equilíbrio são semelhantes, mas cada sistema de desequilíbrio é desequilibrado em sua própria maneira, "disse Granick, que dirige o IBS Center for Soft and Living Matter. "Descobrimos que esses sistemas aparentemente imprevisíveis podem ser previsíveis afinal."

Apoiado pelo IBS, Departamento de Energia dos EUA, e a National Science Foundation, a pesquisa foi publicada online no Proceedings of the National Academy of Sciences . Luijten e Granick são os co-autores do artigo. Ming Han, um estudante de doutorado no laboratório de Luijten, e Jing Yan, um ex-aluno de pós-graduação da Universidade de Illinois, atuou como co-autores do artigo.

A pesquisa foi estimulada quando Granick e Yan notaram algo estranho no laboratório. Enquanto observavam uma mistura aleatória de partículas de matéria mole chamadas coloides de Janus, que Granick desenvolveu anteriormente, eles observaram que as partículas às vezes se classificavam por tipo. Nomeado após o deus romano com duas faces, as esferas de tamanho mícron têm um hemisfério revestido com uma fina camada de metal. Eles se autopropelem na presença de um campo elétrico, e quando um campo magnético giratório é aplicado, eles se movem em círculos. Na presença desses campos, cerca de 50 por cento dos coloides orientam seu hemisfério revestido de metal na mesma direção. Os 50% restantes estão voltados para a direção oposta.

"Quando as partículas com orientação oposta se movem em círculos, eles se chocam e são ejetados para fora de sua órbita, "disse Luijten, professor de ciência e engenharia de materiais, ciências da engenharia e matemática aplicada, e física e astronomia. "As partículas continuam a ser expelidas de suas órbitas até que sejam rodeadas apenas pelo mesmo tipo. As partículas voltadas para a direita são rodeadas por outras partículas voltadas para a direita, e as partículas voltadas para a esquerda são rodeadas por outras partículas voltadas para a esquerda. "

Granick e sua equipe reconheceram esse comportamento como separação de fases, que é característico de substâncias em equilíbrio. Quando ocorre a separação de fases, uma mistura de dois ou mais líquidos separa-se em camadas. A maioria testemunhou a separação de fases ao agitar um molho vinagrete de óleo para salada. Depois que o curativo assenta, a camada de óleo se deposita sobre a camada de vinagre.

"Eles notaram a separação de fases em um sistema que estava fora de equilíbrio, "Han disse." Às vezes eles viram uma separação de fases clara, mas outras vezes, eles não viram nenhuma separação de fase. "

Colaboradores de longa data, Granick e Luijten ponderaram sobre o mistério juntos. A equipe de Luijten repetiu o experimento em simulações computacionais e descobriu que apenas quando as partículas giravam com pequenos raios elas se separavam de fase. Eles descobriram que o comprimento do raio era fundamental.

As leis da termodinâmica definem as relações entre temperatura e energia para todos os sistemas de equilíbrio. Conhecendo a temperatura do sistema, os cientistas podem fazer previsões sobre suas outras propriedades. Luijten, Granick, e suas equipes descobriram que, em seu sistema de não equilíbrio, o raio funcionava de maneira semelhante à temperatura como parâmetro de controle.

"Descobrimos que tudo o que você controla por temperatura em equilíbrio depende do raio em nosso sistema, "Luijten disse." É um general, declaração fundamental que é um ponto de partida para mais exploração. É um pouco de esperança que possamos desenvolver diretrizes gerais para sistemas fora de equilíbrio. "