آنتروپي در مقياس نانومتري

اين مقاله از كشف يك پديده خبر مي دهد كه - يك لوله نانومتري معلق در محلول كلوئيدي به هنگام مجاورت با ديواره، بر اثر نيروهايي كه منشأ آنتروپيك دارند، ابتدا يك سر لوله به ديواره برخورد مي كند و سپس در يك مسير معين و غير رندم به موازات ديواره قرار مي گيرد و در آن حالت به دام مي افتد - نويسندگان مقاله حدس مي زنند كه اساس مجاورت ابتدايي پروتئنهايي كه در سيستمهاي بيولوژيك از يك سر به يك جاي مشخص از سطح قفل مي شوند، به عبارت ديگر كليد مسير رسيدن به قفل را مي يابد، همين اثر مي باشد. در پايان نويسندگان اشاره مي كنند كه علي الاصول مهندسان نانو به هنگام طراحيهاي خود با اين پديدة دنياي نانومتر مواجهند و بايد از اين پديده در ابتكارات خود استفاده كنند و حداقل آنرا در طراحيهاي خود لحاظ كنند.

 نيروهاي بازدارنده- فعل و انفعالات آنتروپيك كه ذرات كلوئيدي را جذب يكديگر ميكند- ميتوانند گشتاوري را بر روي يك ميله نانومتري ايجاد نمايند كه آن را در يك جهت خاص در نزديكي يك ديواره هدايت نمايد. 
در مقياس مولكولي و نانومتري، اگر يك شئ ميله مانند به ديوارهاي نزديك شود، تحت تاثير آنتروپي به جهت خاصي خواهد چرخيد. اين نتيجه، حاصل تحقيقات تيمي از دانشمندان آلماني است كه بيان ميدارد "نيروي بازدارنده" كه بر روي ذرات كلوئيدي عمل ميكند، نه تنها يك نيروي جاذبه، بلكه يك گشتاور جهتدار نيز ايجاد ميكند. 
براي مثال، يك ميله نانومتري معلق در محلول و نزديك به ديواره ظرف را در نظر بگيريد. هرچه اين ميله به ديواره نزديكتر ميشود از توانايي چرخش آزدانه آن كاسته ميشود و در عوض، بيشتر در جهت خاصي نسبت به ديواره به تله ميافتد. اگر از نوسانات گرمايي ميله در اين جهت خاص صرفنظر شود براي بازگرداندن آن به حالت اوليه يك گشتاور لازم است. 
رولند روت از انيستيتو ماكس – پلانك در اشتوتگارت آلمان و همكارانش معتقدند كه اين گشتاور آنتروپيك ممكن است در سيستمهاي بيولوژيكي بر روي فعل و انفعالات بين يك پروتئين و زيرلايهاي كه به آن متصل ميگردد مؤثر باشد. اتصال پروتئين به زيرلايه به صورت نوعي قفل و كليد عمل ميكند كه در آن، زير لايه كاملاً در داخل حفرة قفل مانند پروتئين چِفت ميشود. اما براي اينكه اين چفت شدن اتفاق بيافتد اين زير لايه بايد در جهت درستي قرار بگيرد. آيا ممكن است حفرة پروتئين به منظور فراهم آوردن بهترين جهت نسبت به زير لايه شكل دهي گردد به طوري كه تحت تاثير نيروهاي آنتروپيك قرار گيرد و بدين ترتيب احتمال يك انطباق خوب به حداكثر برسد؟ 
چنين موضوعاتي ممكن است براي ايجاد وسايل نانومتري داراي چفت و بستهايي كه آزادانه در حركتند مورد نظر باشد. مثلاً اگر يك گشتاور آنتروپيك موجب تغيير جهت و انحراف راس يك نانولوله كربني شود، قرار دادن آنرا در داخل يك حفره دشوار خواهد ساخت. 
نيروهاي بازدارنده حاصل تغيير در "فضاي آزاد" قابل دسترسي براي ذرات كوچك (مثلاً مولكولهاي حلال) ، هنگام نزديك شدن دو ذره بزرگتر (مثلاً ذرات كلوئيدي) به يكديگر هستند. به خاطر دافعه بين هسته مركزي ذرات، در نزديكي سطح ذرات كلوئيدي ناحيهاي وجود دارد كه از تجمع تودهاي ذرات حلال جلوگيري ميكند. اما اگر دو ذره كلوئيدي با هم تماس پيدا كنند نواحي جلوگيري كننده آنها بر هم منطبق ميشود و بنابراين فضاي قابل دسترسي براي ذرات حلال و نيز آنتروپي افزايش مييابد و اين باعث جاذبه بين ذرات بزرگتر ميگردد. 
از آنجا كه اين اثر صرفاً يك اثر آنتروپيك است، نيروهاي جاذبه فقط در سيستمهايي با هستة ثابت نمود پيدا ميكند كه نيروهاي جاذبه طبيعي (نظير نيروي واندرووالس) بين ذرات وجود ندارد. نيروهاي بازدارنده ميتوانند رفتار فازي كلوئيدها را كنترل كنند. مثلاً با افزايش غلظت ذرات كلوئيدي در يك سوسپانسيون، اين نيروها باعث جدايي فازي در مخلوطهاي كلوئيدي و يا موجب جابجايي فازهاي چگالتر ميگردند. به نظر ميرسد كه نيروهاي بازدارنده در سيستمهاي بيولوژيكي نيز حضور داشته باشند (هرچند چنين رفتاري ممكن است در يك حلال كاملاً ساختاري مانند آب، بسيار پيچيدهتر باشد) . 
به خاطر نيروي بازدارنده، مناسبترين وضعيت يك ميله توپر در برخورد با يك ديواره، در حالتي است كه ميله به موازات اين ديواره قرار گرفته و بيشترين سطح برخورد با ديواره را داشته باشد. اما روت و همكارانش ميگويند كه نزديك شدن چنين ميلهاي به ديواره بسيار پيچيدهتر از اين ميباشد زيرا در صورت چرخش ميله، نيروي بازدارنده به شكل ظريفي تغيير ميكند. 
در حالت رو در رو ممكن است انتظار رود كه اين ميله در جهت موازي به اين ديواره نزديك شود. عملاً اين پژوهشگران براي پي بردن به اينكه پتانسيل بازدارندگي در اين حالت حداقل مقدار را دارد، از تئوري دانسيته كاركردي - روشي براي يافتن حداقل انرژي برپايه نيروهاي درون ذرهاي- استفاده كردند. 
اما مقادير كمينة ديگري نيز وقتي كه ميله از ديواره كاملاً دور ميشود وجود دارد. اين مقادير را ميتوان با بررسي تغييرات گشتاور ميله نسبت به زاوية آن با ديواره تعيين كرد. در حالت كمينة پتانسيل، اين گشتاور صفر بوده و شيب تغييرات آن نسبت به افزايش زاويه منفي است. به عبارت ديگر نوعي نيروي بازگرداننده وجود دارد كه اين ميله را در يك جهت خاص نگه ميدارد. در حالتي كه ميله دور از ديواره قرار دارد، اين مقادير صفر در زواياي بسيار كمتر از 90 درجه (نسبت به حالت موازي) اتفاق ميافتد. اين پژوهشگران پيبردهاند كه مدلسازيهاي رايانهاي آنان از چنين سيستمي كاملاً منطبق بر محاسباتي است كه با استفاده از تئوري دانسيته كاركردي صورت گرفته است. 
از آنجا كه هر چه ميله به ديواره نزديكتر ميشود موانع پتانسيلي براي تغييرجهت آن افزايش مييابد، اين ميله در حين نزديك شدن به ديواره در يكي از اين جهات غيرموازي به دام افتاده و نميتواند تغيير جهت دهد؛ با آنكه جهت موازي، عموماً پايدارترين حالت است. از اين رو اين محققين ميگويند كه اين ميله در مسير خاصي به ديواره نزديك خواهد شد. به طوري كه ابتدا يك انتهاي آن به ديواره برخورد كرده و پس از آن، اين ميله به تدريج خواهد چرخيد تا از حالت موازي خارج گردد. به هر حال، وضعيت اين ميله به صورت تصادفي تعيين نميشود زيرا برخي جهات متقدم وجود دارد. يك مهندس باهوش نانوتكنولوژي ممكن است بهرهبرداري از اين خاصيت را مد نظر قرار دهد. 
منبع: http: //www. nature. com

منبع:http://www.nano.ir