Энтропия выступила барьером в диффузии неравновесных систем

Посекундные снимки движения молекулы ДНК, окрашенной флюоресцентной краской, по каналу с энтропическими барьерами

Daniel Kim et al. / Physical Review Letters

Энтропия — мера неупорядоченности физической системы — хорошо изучена для систем, находящихся в положении равновесия, в отсутствии внешних сил. В новом исследовании физики Университета Брауна провели эксперимент, демонстрирующий влияние энтропии на систему, выведенную из состояния равновесия. Описание работы опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Исследуемый в новой работе феномен известен под названием «гигантское ускорение диффузии» (giant acceleration of diffusion). В 2001 году исследователи разработали теорию рассеивания броуновских частиц в системе, выведенной из состояния равновесия, которую можно проиллюстрировать следующим образом. Представим движение свободно перемещающихся частиц, распределенных по волнообразной поверхности, похожей на стиральную доску. Изначальная энергия движения частиц недостаточна для того, чтобы перепрыгнуть через ребра поверхности, так что диффузия незначительна. Если же доску наклонить под небольшим углом (система выведена из состояния равновесия), частицы постепенно начнут перескакивать через ребра вниз. При увеличении угла наклона некоторые частицы будут перескакивать ребра доски, в то время как остальные будут оставаться на своем месте: в терминах физики, диффузия системы увеличивается при выведении системы из состояния равновесия. Теория гигантского ускорения диффузии измеряет эффект увеличения диффузии и предсказывает степень роста диффузии при росте угла наклона. При превышении углом наклона некоторого порогового значения все частицы смогут передвигаться вниз по доске, преодолевая барьеры — тут диффузия снова увеличивается.

Эта теория — одна из немногих попыток прогнозирования поведения систем, выведенных из состояния равновесия. Она была протестирована в нескольких экспериментах: например, в коллоидной среде под воздействием гофрированных оптических вихрей, а также в эксперименте с единичной молекулой белка и подтвердила точность прогнозов. 

В предыдущих теоретических работах было показано, что броуновские частицы, перемещающиеся между энтропическими барьерами, также могут демонстрировать гигантское ускорение диффузии, однако, до сих пор этот феномен не был подтвержден экспериментами. Специфика энтропии замечательна тем, что энтропические барьеры не фиксированы: они могут изменяться и даже исчезать при выведении системы из состояния равновесия. В новой работе ученые экспериментально подтвердили возникновение гигантского ускорения диффузии в динамической системе с энтропическими барьерами.

Для эксперимента ученые расположили цепочки ДНК в тонких трубках, заполненных жидкостью, сквозь которые могут проходить молекулы. Стенки каналов содержат прямоугольные углубления. В состоянии равновесия молекулы ДНК стремятся расположиться в канале в форме неупорядоченных клубков. В результате молекула «застревает» в углублениях, где она находит больше места для образования неупорядоченного клубка. Эти углубления можно рассматривать как аналогию канавок на стиральной доске. Принципиальная разница заключается только в том, что молекулу ДНК в углублении держит энтропия.

Молекула ДНК выбирает различные конфигурации случайным образом — количество возможных конфигураций определяет меру энтропии молекулы. В некоторый момент молекула может найти конфигурацию достаточно тонкую, чтобы пройти по каналу между углублениями. Однако внутри углублений она может принять гораздо больше вариантов конфигураций, так что вероятность перемещения между углублениями небольшая: углубления можно рассматривать как «энтропические барьеры» для молекул ДНК.


Целью эксперимента являлась проверка условий, при которых углубления остаются барьерами энтропии в динамической системе, выведенной из состояния равновесия. Исследователи изменили давление в трубке, выводя его из состояния равновесия, и измерили скорость каждой молекулы: значительное изменение скорости при превышении некоторого порога давления показывает возникновение эффекта гигантского роста диффузии. При увеличении давления диффузия молекул увеличилась — некоторые молекулы стали передвигаться между углублениями в канале, в то время как другие оставались застрявшими на своих местах, а после порогового значения силы давления диффузия увеличилась в 15 раз. Таким образом, эксперимент продемонстрировал ситуацию, где энтропия и состояние неравновесия вступают во взаимодействие друг с другом, демонстрируя феномен гигантского ускорения диффузии. Факт, что в неравновесной системе энтропические барьеры сохранили свою силу, поднимает интересные вопросы о природе энтропии.

Надежда Бессонова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.