Entropie, la mesure du désordre dans un système physique, est quelque chose que les physiciens comprennent bien lorsque les systèmes sont à l'équilibre, ce qui signifie qu'il n'y a pas de force externe qui dérègle les choses. Mais de nouvelles recherches menées par des physiciens de l'Université Brown sortent l'idée d'entropie de sa zone de confort d'équilibre.

La recherche, Publié dans Lettres d'examen physique , décrit une expérience dans laquelle l'émergence d'un phénomène de non-équilibre nécessite en fait une assistance entropique.

"Ce n'est pas clair ce que l'entropie signifie même lorsque vous vous éloignez de l'équilibre, donc avoir cette interaction entre un phénomène de non-équilibre et un état entropique est surprenant, " a déclaré Derek Stein, un physicien de l'Université Brown et co-auteur de l'ouvrage. "C'est la tension entre ces deux choses fondamentales qui est si intéressante."

Le phénomène étudié par la recherche est connu sous le nom d'« accélération géante de la diffusion, " ou GAD. La diffusion est le terme utilisé pour décrire dans quelle mesure les petits, des particules agitées s'étalent. Le jiggling fait référence au mouvement brownien, qui décrit le mouvement aléatoire de petites particules à la suite de collisions avec les particules environnantes. En 2001, un groupe de chercheurs a développé une théorie sur la façon dont les particules browniennes se diffuseraient dans un système poussé hors de l'équilibre.

Imaginez des particules agitées disposées sur une surface avec des bosses ondulantes comme une planche à laver. Leur tremblement n'est pas assez grand pour permettre aux particules de sauter par-dessus les bosses de la planche, donc ils ne diffusent pas beaucoup du tout. Cependant, si la planche était inclinée dans une certaine mesure (en d'autres termes, hors d'équilibre), les bosses deviendraient plus faciles à franchir dans la direction vers le bas. Lorsque l'inclinaison commence à augmenter, certaines particules se libéreront des barrières de la planche à laver et couleront le long de la planche, tandis que d'autres resteront sur place. En termes de physique, les particules sont devenues plus diffuses - plus étalées - au fur et à mesure que le système est hors d'équilibre. La théorie GAD quantifie cet effet de diffusivité et prédit que lorsque l'inclinaison commence à augmenter, la diffusivité s'accélère. Lorsque l'inclinaison dépasse le point où toutes les particules peuvent bouger librement et se déplacer le long de la planche à laver, puis la diffusivité diminue à nouveau.

La théorie est importante, Stein dit, parce que c'est l'une des rares tentatives pour faire des prédictions solides sur la façon dont les systèmes se comportent loin de l'équilibre. Il a été testé dans quelques autres paramètres et s'est avéré faire des prédictions précises.

Mais Stein et son équipe voulaient tester la théorie dans un cadre inconnu, qui introduit l'entropie dans le mélange.

Pour l'expérimentation, Stein et ses collègues ont placé des brins d'ADN dans des canaux nanofluidiques - essentiellement, de minuscules couloirs remplis de fluide à travers lesquels les molécules pourraient voyager. Les canaux étaient cependant bordés de nanopits, de minuscules dépressions rectangulaires qui créent des taches profondes dans les canaux relativement plus étroits. A l'équilibre, Les molécules d'ADN ont tendance à s'organiser en désordre, boules ressemblant à des spaghettis. Par conséquent, lorsqu'une molécule se retrouve dans une nanofosse où elle a plus de place pour former une boule désordonnée, il a tendance à y rester coincé. Les fosses peuvent être considérées comme étant un peu comme les creux entre les bosses sur la planche à laver théorique GAD, mais avec une différence critique :la seule chose qui retient réellement la molécule dans la fosse est l'entropie.

"Cette molécule bouge au hasard dans la fosse - en sélectionnant au hasard différentes configurations dans lesquelles être - et le nombre de configurations possibles est une mesure de l'entropie de la molécule, " expliqua Stein. " Il pourrait, à un moment donné, atterrir sur une configuration suffisamment fine pour rentrer dans le canal à l'extérieur de la fosse, ce qui lui permettrait de passer d'une fosse à l'autre. Mais c'est peu probable car il y a tellement plus de formes qui ne passent pas que de formes qui le font. La fosse devient donc une "barrière entropique".

Stein et ses collègues voulaient voir si la dynamique GAD hors équilibre émergerait encore dans un système où les barrières étaient entropiques. Ils ont utilisé une pompe pour appliquer une pression sur les canaux nanofluidiques, les poussant hors d'équilibre. Ils ont ensuite mesuré les vitesses de chaque molécule pour voir si GAD a émergé. Ce qu'ils ont vu était en grande partie conforme à la théorie GAD. Alors que la pression augmentait vers un point critique, la diffusivité des molécules a augmenté, ce qui signifie que certaines molécules ont traversé le canal tandis que d'autres sont restées coincées dans leurs fosses.

"On ne savait pas du tout comment cette expérience aboutirait, " a déclaré Stein. " C'est un phénomène de non-équilibre qui nécessite des barrières, mais nos barrières sont entropiques et nous ne comprenons pas l'entropie en dehors de l'équilibre."

Le fait que les barrières soient restées soulève des questions intéressantes sur la nature de l'entropie, dit Stein.

"Le non-équilibre et l'entropie sont deux concepts qui s'opposent un peu, mais nous montrons une situation dans laquelle l'un dépend de l'autre, " a-t-il dit. " Alors quel est le principe directeur qui indique quel est le compromis entre les deux ? La réponse est :nous n'en avons pas, mais peut-être que des expériences comme celle-ci peuvent commencer à nous ouvrir une fenêtre là-dessus."

En plus des implications plus profondes, il peut également y avoir des applications pratiques pour les résultats, dit Stein. Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient estimer les minuscules forces de piconewton poussant l'ADN vers l'avant simplement en analysant le mouvement des molécules. Pour référence, un newton de force équivaut à peu près au poids d'une pomme moyenne. Un piconewton est un billionième de cela.

L'expérience a également montré que, avec la bonne pression, la diffusivité des molécules d'ADN a été augmentée d'un facteur 15. Une technique similaire pourrait donc être utile pour faire rapidement des mélanges. Si une telle technique était développée pour tirer parti du TAG, ce serait une première, dit Stein.

"Personne n'a jamais exploité un phénomène de non-équilibre pour quelque chose comme ça, " dit-il. " Donc, ce serait certainement une possibilité intéressante. "