Les nanotubes s'auto-organisent et se tortillent :l'évolution d'un système hors équilibre démontre une production d'entropie maximale
Instantanés consécutifs de l'échantillon illustrant la formation de chaînes de nanotubes. La distance entre les électrodes est de 1 cm, la tension appliquée est de 400 V, et la résistance série est de 100 MOhm. Le panneau (a) montre la photographie du fluide ER avant l'application de la tension et le schéma de l'installation expérimentale. Les photographies suivantes sont prises après 45, 90, et 1500 secondes d'interaction avec le champ électrique. Imprimé à l'origine en Rapports scientifiques , 5, numéro d'article 8323, doi 10.1038/srep08323. Reproduit avec la permission des auteurs.
La deuxième loi de la thermodynamique nous dit que tous les systèmes évoluent vers un état d'entropie maximale, où toute l'énergie est dissipée sous forme de chaleur, et aucune énergie disponible ne reste pour faire le travail. Depuis le milieu du 20e siècle, la recherche a mis en évidence une extension de la deuxième loi pour les systèmes hors d'équilibre :le principe de production d'entropie maximale (PPME) stipule qu'un système éloigné de l'équilibre évolue de manière à maximiser la production d'entropie, compte tenu des contraintes actuelles.
Maintenant, les physiciens Alexey Bezryadin, Alfred Hubler, et Andrey Belkin de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, ont démontré l'émergence de structures auto-organisées qui conduisent l'évolution d'un système hors d'équilibre vers un état de production d'entropie maximale. Les auteurs suggèrent que le MEPP sous-tend l'évolution de l'auto-organisation du système artificiel, de la même manière qu'elle sous-tend l'évolution des systèmes ordonnés (la vie biologique) sur Terre. Les résultats de l'équipe sont publiés dans la revue en ligne de Nature Publishing Group Rapports scientifiques .
Le MEPP peut avoir des implications profondes pour notre compréhension de l'évolution de la vie biologique sur Terre et des règles sous-jacentes qui régissent le comportement et l'évolution de tous les systèmes hors d'équilibre. La vie a émergé sur Terre à partir de la distribution d'énergie fortement déséquilibrée créée par les photons chauds du Soleil frappant une planète plus froide. Les plantes ont évolué pour capturer des photons de haute énergie et produire de la chaleur, générer de l'entropie. Ensuite, les animaux ont évolué pour manger des plantes, augmentant la dissipation de l'énergie thermique et maximisant la production d'entropie.
Dans leur expérience, les chercheurs ont suspendu un grand nombre de nanotubes de carbone dans un fluide non polaire non conducteur et ont déséquilibré le système en appliquant un champ électrique puissant. Une fois chargé électriquement, le système a évolué vers l'entropie maximale à travers deux états intermédiaires distincts, avec l'émergence spontanée de chaînes de nanotubes conductrices auto-assemblées.
Dans le premier état, le régime "avalanche", les chaînes conductrices se sont alignées selon la polarité de la tension appliquée, permettant au système de transporter du courant et ainsi de dissiper la chaleur et de produire de l'entropie. Les chaînes semblaient faire germer des appendices lorsque les nanotubes s'alignaient de manière à se joindre à des chaînes parallèles adjacentes, augmentant efficacement la production d'entropie. Mais fréquemment, cette auto-organisation a été détruite par des avalanches déclenchées par l'échauffement et la charge qui émanent des courants électriques émergents.
