Fizik: Dijital Çağda Simya
Kuş sürüleri gökyüzünde özgürce uçar, sürekli pozisyon değiştirir ve inanılmaz desenler düzenler. Bu nasıl yapılır? Bu kuşlar nasıl iletişim kurar? Hepsi ortak bir planı izliyor mu?
Petri kabındaki bakteriler dışarıya doğru hareket ederek güzel bir dendritik yapı oluşturur. Hücreler, belirli işlevleri olan doku ve organları oluşturmak için birbirlerine tam olarak yapışabilirler.
Cansız taşları bir kaba koyup sıfır yerçekimine sahip bir ortama koymaya çalışsanız bile, kendiliğinden yerleşeceklerini göreceksiniz. Tek tip ve düzenli Desen.
Bunlar Mikro Karmaşık etkileşim ve düzenleme Makro Fenomen, ortak bir temel ilkeleri var mı? Michigan Üniversitesi'nde kimya mühendisliği profesörü olan Sharon Glotzer'in araştırdığı tam da bu. Sonuç olarak şunu buldu: Entropi düzensizliğe değil düzene yol açabilir ...
Bu, entropi anlayışımızı ihlal ediyor gibi görünüyor.
Entropi, basitçe düzensizliğin veya belirsizliğin bir ölçüsü olarak kabul edilebilir ve daha yüksek entropi, daha düzensiz bir duruma karşılık gelir. Termodinamiğin ikinci yasası bize kapalı bir sistemde entropinin azalmayacağını değil sonsuza kadar artacağını söyler.
Farklı bilim disiplinlerinde, entropi farklı biçimlerde ortaya çıkar. Glotzer, Gibbs Entropisi ,Veya İstatistiksel entropi . Esasen bu, bir sistemde var olabilecek farklı düzenlemelerin (mikro durumlar olarak da adlandırılır) sayısının bir ölçüsüdür ve doğada gözlemlediğimiz şey, bu en olası düzenlemelerin sunduğu makro durumdur.
Örneğin: aynı katı topları (cam mermerler veya minik nanoparçacıklar) büyük bir kaba koyarsanız ve sonra bunları yerçekiminin etkisini ortadan kaldırmak için uzaya gönderirseniz, bu toplar Rastgele dağılmış. Bu zamanda kabı küçültürsek, garip fenomenler görmeye başlayacağız: Kabı işgal eden kürelerin oranı% 50'ye çıktığında, düzenli bir kristal yapı oluşturacaklar, açıkça mevcut olsalar bile, daha az düzenlenebilirler. Düzenli alan.
Başka bir deyişle, parçacıklar yeterince kalabalık olduğunda, kafeste düzensiz desenlerden daha düzenli desenler vardır. Bu mantığa aykırı geliyor, çünkü en büyük entropiye sahip parçacıkların düzeni oldukça düzenli. Bu parçacıklar arasında doğrudan bir etkileşim yoktur, aralarında hiçbir yapışma yoktur, kendileri bir yük taşımazlar, hiçbir şey yoktur, sadece entropi düzenin ortaya çıkmasına neden olur.
Mikroskobik parçacıklar, yalnızca entropi yoluyla kendiliğinden düzenli ve düzenli bir kristal yapıya yerleşirler.
İnsanlar genellikle entropinin artışını nesnelerin kaotik hale gelme eğilimi olarak anlarlar, bu entropinin düzene yol açtığı fenomeni ile çelişir mi?
Aslında hiçbir çelişki yok.
Bir sistemde, parçacıkların ne kadar olası düzenlemeleri olursa, sistemin entropisi o kadar büyük olur. Belirli koşullar altında, sistem ne kadar düzenli olursa, parçacıkların daha fazla olası düzenlemesi olur. Sistemdeki parçacıklar, serbestçe titreşebilmeleri ve konumlarını ve yönlerini ayarlayabilmeleri için etraflarındaki boşluğu olabildiğince geniş yapmaya çalışacaklardır. Parçacıkların kapladığı alan ne kadar büyükse, o kadar çok düzenleme ve entropi o kadar büyük olur. Bir grup küreden oluşan bir sistem için, entropinin maksimizasyonu, küreler düzenli bir şekilde düzenlendiğinde gerçekleşir.
2009 yılında, Glotzer'in araştırma ekibi, yapısı yukarıda belirtilen küre yerine piramit benzeri bir tetrahedron olan yarı iletken bir nanopartikül üzerinde çalışıyordu. Simülasyon sonuçları, bu tetrahedronların Toplanma oranı Yeterince yüksek olduğunda, düzenli yapı yeniden ortaya çıkar. Aradaki fark, bu sefer bir kristal yapı elde etmek yerine, bir tür 12-kat rotasyonel simetri olmasıdır. Quasicrystalline yapı .
Dört yüzlülerin kendiliğinden dizilmesiyle oluşan yarı kristal yapı 12 kat dönme simetrisine sahiptir.
Kuasikristal Çok karmaşık bir yapıdır, kristaller gibi tam tekrarlayan periyodik yapıya sahip değildirler. Düzenli bir yapıya sahip olmalarına rağmen, tam öteleme simetrisine sahip değillerdir ve genellikle kristal yapıdan daha karmaşıktırlar.
Bütün bunlar tek kelimeyle harika! Moleküller arası etkileşimlerin etkisi olmadan, yalnızca entropinin "kişinin gücü" ile düzen ortaya çıktı - basit tetrahedronlar kendiliğinden karmaşık yarı kristaller halinde organize edildi.
Kuasikristal yapının rotasyonel simetrisini analiz edin ve kırınım sonucu (b) 12-kat rotasyonel simetri gösterir.
Bu tamamen beklenmedik bir keşif ... Hiç kimse böyle bir sonucu aramayı düşünmedi ve hiç kimse böyle bir sonucu beklemedi. Araştırmacılar bu keşfi uzun süre bile inanamadılar. Ve bu keşif nihayet kanıtlandığında, karmaşıklığın ve düzenin ortaya çıkmasında entropinin oynayabileceği güçlü ve çelişkili rolü de ilk kez gösterdi.
Glotzer bu süreci " Dijital çağda simya " Eski simyacılar kurşunu altına dönüştürmek isterken, malzeme bilimcileri belirli yapılar veya malzemeler yaratmak istediler. Mikro yapıların şeklini tersine çevirdiler, böylece bu mikro yapılar kendiliğinden istenen şekilde birleşebilsinler. şekil.
Bu keşiften bu yana Glotzer'in ekibi, yalnızca entropi yoluyla ortaya çıkabilen farklı kristalleri ve yarı kristal yapıları incelemek için farklı parçacık şekillerini kullanıyor. Kristal yapıların veri tabanına göz attılar, birbiri ardına kristal yapı aradılar. 2017 yılına kadar, bilgisayar simülasyonu ve deneysel tasarım yoluyla farklı alanlarda 50.000'den fazla kristal şeklin kendi kendine organizasyonunu incelediler.
Bu çalışmalar aracılığıyla bazı daha temel soruları keşfetmek istiyorlar: Tüm kristal yapılar sadece entropi yoluyla mı üretilebilir? Değilse neden? Entropinin düzen için itici gücü ne kadar büyük?
Belki bir gün, bu araştırma insanların fiber optik kablolarda belirli ışık dalga boylarını yakalayabilen fotonik kristaller gibi ideal özelliklere sahip malzemeler tasarlamasına yardımcı olabilir. Ancak bu yeni malzemeleri gerçekten yapmak istiyorsanız, araştırmacıların entropinin yanı sıra diğer güçleri de ödünç alması gerekir. O zamana kadar, araştırmacılar bu çalışmalardan entropinin kendi kendine birleşme sürecindeki rolünü öğrenmiş olabilirler ve yalnızca entropi kullanıldığında parçacıkların hangi şekilde olması gerektiğini daha net biliyor olabilirler? Bilim adamları, ancak bu sorunları anlayarak, istediğimiz malzemeleri elde etmek için entropi ve diğer güçleri iyi bir şekilde birleştirebilirler.
Materyal tasarımında "Dijital Çağda Simya" kullanılmıştır.
Parlak uygulama beklentilerine ek olarak, bu araştırma bize harika bir doğa harikasını da getiriyor! Glotzer bir keresinde entropi ve şekil araştırmalarından hayatın kökenini ilişkilendirdiğini söylemişti: Çoğu bilim insanı, düzen sağlamak için kimyasal bağlara ve etkileşimlere ihtiyacımız olduğuna inanıyor. Ve bu çalışmalar bize, bir nesne doğru koşullar altında bir mekana hapsedildiğinde, kendiliğinden kendini organize edebileceğini bilmemizi sağlar. Bu nedenle suya batırılan taşlar arasında, küçük yarıklar arasında moleküllerin kendi kendine organize olduğu ilk yer mi?
Tam cevabı bilmiyoruz, ancak bu ilginç bir fikir ve aynı zamanda yaşamın kökeni hakkındaki nihai soru için yepyeni bir fikir sunuyor. Belki bir gün bu düzenli yapı gibi beklenmedik ve incelikli bir şekilde daha gizemli cevaplar veya ipuçları karşımıza çıkacaktır.
