Энтропиялық күштер: Термодинамикалық шығу және қолданыстары
Entropic force
Энтропиялық күш – жүйелердегі термодинамикалық өзгерістерден туындайтын, атомдық деңгейдегі күш емес, статистикалық тенденция. Биологиялық полимерлерде маңызды.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Физикада жүйеде әрекет ететін энтропиялық күш – фундаментальдық өзара әрекеттесулерден емес, термодинамикадан туындайтын физикалық күш. Бұл күш атомдық деңгейдегі нақты бір күштен емес, жүйенің энтропияны арттыруға бағытталған статистикалық бейімінен туындайтын пайда болатын құбылыс.
Physical force that originates from thermodynamics instead of fundamental interactions
In physics, an entropic force acting in a system is an emergent phenomenon resulting from the entire system's statistical tendency to increase its entropy, rather than from a particular underlying force on the atomic scale.
Полимерлер
Энтропиялық күштердің классикалық мысалы – еркін буыны бар полимер молекуласының серпімділігі. Еркін буыны бар тізбектің энтропиялық күші нақты механикалық себептерге байланысты және шектелген Лагранж динамикасы арқылы есептелуі мүмкін. Биологиялық полимерлерге келгенде, энтропиялық күш пен функция арасындағы тығыз байланыс байқалады. Мысалы, бір полипептид тізбегінің жиырылған аймақтарындағы ретсіз полипептид сегменттері функционалдық маңызы бар энтропиялық күшті тудыратыны көрсетілген.
A standard example of an entropic force is the elasticity of a freely jointed polymer molecule. The entropic force by a freely jointed chain has a clear mechanical origin and can be computed using constrained Lagrangian dynamics. With regards to biological polymers, there appears to be an intricate link between the entropic force and function. For example, disordered polypeptide segments in the context of the folded regions of the same polypeptide chain have been shown to generate an entropic force that has functional implications.
Коллоидтар
Энтропиялық күштер коллоидтар физикасында маңызды және кең таралған, олар тұншығу күшіне және қатты бөлшектердің реттелуіне жауапты, мысалы, қатты шарлардың кристалдануы, қатты таяқшалардың сұйық кристалдық фазаларындағы изотропты нематикалық өту және қатты полиэдрлердің реттелуі. Осы себепті энтропиялық күштер өзін-өзі құрастырудың маңызды қозғаушы күші болуы мүмкін.
Entropic forces are important and widespread in the physics of colloids, where they are responsible for the depletion force, and the ordering of hard particles, such as the crystallization of hard spheres, the isotropic nematic transition in liquid crystal phases of hard rods, and the ordering of hard polyhedra. Because of this, entropic forces can be an important driver of self assembly
Энтропиялық күштер коллоидтық жүйелерде бөлшектердің тығыздығынан туындайтын осмостық қысымның нәтижесінде пайда болады. Бұл алғаш рет Асакура-Оосава моделімен сипатталған коллоид-полимер қоспаларында анықталды және ең түсінікті болып табылады. Бұл модельде полимерлер бір-біріне еніп білуге, бірақ коллоидты бөлшектерге еніп кете алмайтын шекті өлшемді шарлар ретінде жуықталады. Полимерлердің коллоидтарға енуге болмайтындығы коллоидтардың айналасында полимер тығыздығы төмендейтін аймаққа әкеледі. Егер екі коллоидтың айналасындағы полимер тығыздығы төмен аймақтар коллоидтар бір-біріне жақындағанда бірігіп кетсе, жүйедегі полимерлер тығыздығы төмен аймақтардың қиылыс көлеміне тең қосымша бос көлемге ие болады. Қосымша бос көлем полимерлердің энтропиясын арттырады және оларды жергілікті түрде тығыз жиналған агрегаттарды құруға итермелейді. Полимерлерсіз жеткілікті тығыз коллоидтық жүйелерде де ұқсас әсер пайда болады, онда осмостық қысым жергілікті тығыз оралымды қамтамасыз етеді. Бұл әсерлер анизотропты бөлшектер үшін бағытталған энтропиялық күштер деп аталады.
Entropic forces arise in colloidal systems due to the osmotic pressure that comes from particle crowding. This was first discovered in, and is most intuitive for, colloid polymer mixtures described by the Asakura–Oosawa model. In this model, polymers are approximated as finite sized spheres that can penetrate one another, but cannot penetrate the colloidal particles. The inability of the polymers to penetrate the colloids leads to a region around the colloids in which the polymer density is reduced. If the regions of reduced polymer density around two colloids overlap with one another, by means of the colloids approaching one another, the polymers in the system gain an additional free volume that is equal to the volume of the intersection of the reduced density regions. The additional free volume causes an increase in the entropy of the polymers, and drives them to form locally dense packed aggregates. A similar effect occurs in sufficiently dense colloidal systems without polymers, where osmotic pressure also drives the local dense packing These effects are for anisotropic particles referred to as directional entropic forces.
Цитоскелет
Биологиялық жасушалардағы жиырылғыш күштер әдетте цитоскелетпен байланысты молекулалық моторлармен қозғалады. Дегенмен, күшейіп келе жатқан дәлелдер жиырылғыш күштер энтропиялық сипатқа ие болуы мүмкін екенін көрсетеді. Классикалық мысал – митоздық шпінделіндегі микротүтіктердің қабаттасуында орналасқан микротүтіктерді байланыстырушы Ase1 протеинінің әрекеті. Ase1 молекулалары микротүтіктердің қабаттасуымен шектелген және бір өлшемде еркін таралуға қабілетті. Контейнердегі идеал газ сияқты, Ase1 молекулалары қабаттасудың шеттеріне қысым түсіреді. Бұл қысым қабаттасудың кеңеюіне және нәтижесінде микротүтіктердің сығу арқылы жылғалуына себеп болады. Осыған ұқсас мысал актин цитоскелетінде де табылды. Мұнда актин буындаушы протеин анилин цитокинетикалық сақиналарда актиннің жиырылуын қамтамасыз етеді.
Contractile forces in biological cells are typically driven by molecular motors associated with the cytoskeleton. However, a growing body of evidence shows that contractile forces may also be of entropic origin. The foundational example is the action of microtubule crosslinker Ase1, which localizes to microtubule overlaps in the mitotic spindle. Molecules of Ase1 are confined to the microtubule overlap, where they are free to diffuse one dimensionally. Analogically to an ideal gas in a container, molecules of Ase1 generate pressure on the overlap ends. This pressure drives the overlap expansion, which results in the contractile sliding of the microtubules. An analogous example was found in the actin cytoskeleton. Here, the actin bundling protein anillin drives actin contractility in cytokinetic rings.
Даулы мысалдар
Кейбір күштер, әдетте конвенциялық күштер деп есептелінеді, шын мәнінде энтропиялық сипатқа ие деген пікірлер айтылды. Бұл теориялар әлі де даулы болып табылады және олар бойынша жұмыстар жалғасуда. Веллингтон қаласындағы Виктория университетінің математика профессоры Мэтт Виссер "Консервативті энтропиялық күштер" деген мақаласында таңдалған тәсілдерді сынап, бірақ жалпы алғанда мына қорытындыға келді:
Some forces that are generally regarded as conventional forces have been argued to be actually entropic in nature. These theories remain controversial and are the subject of ongoing work. Matt Visser, professor of mathematics at Victoria University of Wellington, NZ in "Conservative Entropic Forces" criticizes selected approaches but generally concludes:
Сезімталдық
2009 жылы Эрик Верлинде гравитацияны энтропиялық күш ретінде түсіндіруге болады деп салды. Ол (Джекобсонның нәтижесімен салыстырылатын) гравитацияның "материалдық денелердің орналасуымен байланысты ақпараттың" салдары екенін айтты. Бұл модель термодинамикалық тәсілді гравитацияға Герард т Хоофтың голографиялық принципімен үйлестіреді. Осыған сәйкес, гравитация – негізгі өзара әрекеттесу емес, пайда болатын құбылыс. Осы тәсілмен қара материя, қара энергия және Пионер эффектін де түсіндіруге тырысты.
In 2009, Erik Verlinde argued that gravity can be explained as an entropic force. It claimed (similar to Jacobson's result) that gravity is a consequence of the "information associated with the positions of material bodies". This model combines the thermodynamic approach to gravity with Gerard 't Hooft's holographic principle. It implies that gravity is not a fundamental interaction, but an emergent phenomenon. The same approach was argued to explain dark matter, dark energy and Pioneer effect.
Адаптациялық мінез-құлыққа сілтемелер
Мұнда себептік энтропиялық күштер құралдарды пайдалану мен әлеуметтік ынтымақтастықтың спонтанды түрде пайда болуына алып келеді деген пікір айтылды. Себептік энтропиялық күштер, қазіргі және болашақ уақыт горизонті арасындағы энтропия өндірісін максимизациялайды, жай ғана энтропия өндірісін шұғыл максимизациялаумен салыстырғанда, бұл дәстүрлі энтропиялық күштерге тән емес. Табиғат заңдарының, интеллектінің және күрделілікті өлшеуге ұқсас энтропияның математикалық құрылымы арасындағы формалды бірдей байланыс 2000 жылы Андрей Соклаков Окамның қырықұйымдылық принципі аясында бұрыннан-ақ атап көрсетілген.
It was argued that causal entropic forces lead to spontaneous emergence of tool use and social cooperation. Causal entropic forces by definition maximize entropy production between the present and future time horizon, rather than just greedily maximizing instantaneous entropy production like typical entropic forces. A formal simultaneous connection between the mathematical structure of the discovered laws of nature, intelligence and the entropy like measures of complexity was previously noted in 2000 by Andrei Soklakov in the context of Occam's razor principle.