آنتروپی در مقیاس نانومتری

این مقاله از كشف یك پدیده خبر می دهد كه - یك لوله نانومتری معلق در محلول كلوئیدی به هنگام مجاورت با دیواره، بر اثر نیروهایی كه منشأ آنتروپیك دارند، ابتدا یك سر لوله به دیواره برخورد می كند و سپس در یك مسیر معین و غیر رندم به موازات دیواره قرار می گیرد و در آن حالت به دام می افتد - نویسندگان مقاله حدس می زنند كه اساس مجاورت ابتدایی پروتئنهایی كه در سیستمهای بیولوژیك از یك سر به یك جای مشخص از سطح قفل می شوند، به عبارت دیگر كلید مسیر رسیدن به قفل را می یابد، همین اثر می باشد. در پایان نویسندگان اشاره می كنند كه علی الاصول مهندسان نانو به هنگام طراحیهای خود با این پدیدة دنیای نانومتر مواجهند و باید از این پدیده در ابتكارات خود استفاده كنند و حداقل آنرا در طراحیهای خود لحاظ كنند.
آنتروپی در مقیاس نانومتری
۱۵ آگوست ۲۰۰۲- نیروهای بازدارنده- فعل و انفعالات آنتروپیك كه ذرات كلوئیدی را جذب یكدیگر میكند- میتوانند گشتاوری را بر روی یك میله نانومتری ایجاد نمایند كه آن را در یك جهت خاص در نزدیكی یك دیواره هدایت نماید.
در مقیاس مولكولی و نانومتری، اگر یك شئ میله مانند به دیوارهای نزدیك شود، تحت تاثیر آنتروپی به جهت خاصی خواهد چرخید. این نتیجه، حاصل تحقیقات تیمی از دانشمندان آلمانی است كه بیان میدارد "نیروی بازدارنده" كه بر روی ذرات كلوئیدی عمل میكند، نه تنها یك نیروی جاذبه، بلكه یك گشتاور جهتدار نیز ایجاد میكند.
برای مثال، یك میله نانومتری معلق در محلول و نزدیك به دیواره ظرف را در نظر بگیرید. هرچه این میله به دیواره نزدیكتر میشود از توانایی چرخش آزدانه آن كاسته میشود و در عوض، بیشتر در جهت خاصی نسبت به دیواره به تله میافتد. اگر از نوسانات گرمایی میله در این جهت خاص صرفنظر شود برای بازگرداندن آن به حالت اولیه یك گشتاور لازم است.
رولند روت از انیستیتو ماكس – پلانك در اشتوتگارت آلمان و همكارانش معتقدند كه این گشتاور آنتروپیك ممكن است در سیستمهای بیولوژیكی بر روی فعل و انفعالات بین یك پروتئین و زیرلایهای كه به آن متصل میگردد مؤثر باشد. اتصال پروتئین به زیرلایه به صورت نوعی قفل و كلید عمل میكند كه در آن، زیر لایه كاملاً در داخل حفرة قفل مانند پروتئین چِفت میشود. اما برای اینكه این چفت شدن اتفاق بیافتد این زیر لایه باید در جهت درستی قرار بگیرد. آیا ممكن است حفرة پروتئین به منظور فراهم آوردن بهترین جهت نسبت به زیر لایه شكل دهی گردد به طوری كه تحت تاثیر نیروهای آنتروپیك قرار گیرد و بدین ترتیب احتمال یك انطباق خوب به حداكثر برسد؟
چنین موضوعاتی ممكن است برای ایجاد وسایل نانومتری دارای چفت و بستهایی كه آزادانه در حركتند مورد نظر باشد. مثلاً اگر یك گشتاور آنتروپیك موجب تغییر جهت و انحراف راس یك نانولوله كربنی شود، قرار دادن آنرا در داخل یك حفره دشوار خواهد ساخت.
نیروهای بازدارنده حاصل تغییر در "فضای آزاد" قابل دسترسی برای ذرات كوچك (مثلاً مولكولهای حلال) ، هنگام نزدیك شدن دو ذره بزرگتر (مثلاً ذرات كلوئیدی) به یكدیگر هستند. به خاطر دافعه بین هسته مركزی ذرات، در نزدیكی سطح ذرات كلوئیدی ناحیهای وجود دارد كه از تجمع تودهای ذرات حلال جلوگیری میكند. اما اگر دو ذره كلوئیدی با هم تماس پیدا كنند نواحی جلوگیری كننده آنها بر هم منطبق میشود و بنابراین فضای قابل دسترسی برای ذرات حلال و نیز آنتروپی افزایش مییابد و این باعث جاذبه بین ذرات بزرگتر میگردد.
از آنجا كه این اثر صرفاً یك اثر آنتروپیك است، نیروهای جاذبه فقط در سیستمهایی با هستة ثابت نمود پیدا میكند كه نیروهای جاذبه طبیعی (نظیر نیروی واندرووالس) بین ذرات وجود ندارد. نیروهای بازدارنده میتوانند رفتار فازی كلوئیدها را كنترل كنند. مثلاً با افزایش غلظت ذرات كلوئیدی در یك سوسپانسیون، این نیروها باعث جدایی فازی در مخلوطهای كلوئیدی و یا موجب جابجایی فازهای چگالتر میگردند. به نظر میرسد كه نیروهای بازدارنده در سیستمهای بیولوژیكی نیز حضور داشته باشند (هرچند چنین رفتاری ممكن است در یك حلال كاملاً ساختاری مانند آب، بسیار پیچیدهتر باشد) .
به خاطر نیروی بازدارنده، مناسبترین وضعیت یك میله توپر در برخورد با یك دیواره، در حالتی است كه میله به موازات این دیواره قرار گرفته و بیشترین سطح برخورد با دیواره را داشته باشد. اما روت و همكارانش میگویند كه نزدیك شدن چنین میلهای به دیواره بسیار پیچیدهتر از این میباشد زیرا در صورت چرخش میله، نیروی بازدارنده به شكل ظریفی تغییر میكند.
در حالت رو در رو ممكن است انتظار رود كه این میله در جهت موازی به این دیواره نزدیك شود. عملاً این پژوهشگران برای پی بردن به اینكه پتانسیل بازدارندگی در این حالت حداقل مقدار را دارد، از تئوری دانسیته كاركردی - روشی برای یافتن حداقل انرژی برپایه نیروهای درون ذرهای- استفاده كردند.
اما مقادیر كمینة دیگری نیز وقتی كه میله از دیواره كاملاً دور میشود وجود دارد. این مقادیر را میتوان با بررسی تغییرات گشتاور میله نسبت به زاویة آن با دیواره تعیین كرد. در حالت كمینة پتانسیل، این گشتاور صفر بوده و شیب تغییرات آن نسبت به افزایش زاویه منفی است. به عبارت دیگر نوعی نیروی بازگرداننده وجود دارد كه این میله را در یك جهت خاص نگه میدارد. در حالتی كه میله دور از دیواره قرار دارد، این مقادیر صفر در زوایای بسیار كمتر از ۹۰ درجه (نسبت به حالت موازی) اتفاق میافتد. این پژوهشگران پیبردهاند كه مدلسازیهای رایانهای آنان از چنین سیستمی كاملاً منطبق بر محاسباتی است كه با استفاده از تئوری دانسیته كاركردی صورت گرفته است.
از آنجا كه هر چه میله به دیواره نزدیكتر میشود موانع پتانسیلی برای تغییرجهت آن افزایش مییابد، این میله در حین نزدیك شدن به دیواره در یكی از این جهات غیرموازی به دام افتاده و نمیتواند تغییر جهت دهد؛ با آنكه جهت موازی، عموماً پایدارترین حالت است. از این رو این محققین میگویند كه این میله در مسیر خاصی به دیواره نزدیك خواهد شد. به طوری كه ابتدا یك انتهای آن به دیواره برخورد كرده و پس از آن، این میله به تدریج خواهد چرخید تا از حالت موازی خارج گردد. به هر حال، وضعیت این میله به صورت تصادفی تعیین نمیشود زیرا برخی جهات متقدم وجود دارد. یك مهندس باهوش نانوتكنولوژی ممكن است بهرهبرداری از این خاصیت را مد نظر قرار دهد.

منبع: http: //www. nature. com

منبع : ستاد ویژه توسعه فناوری نانو