صنایع شیمیایی JAM . BGR


موسسه آموزش عالی جامی دلیجان

;
 

آنتروپی در مقیاس نانومتری

 

 

15 آگوست 2002- نیروهای بازدارنده- فعل و انفعالات آنتروپیک که ذرات کلوئیدی را جذب یکدیگر می‌کند- می‌توانند گشتاوری را بر روی یک میله نانومتری ایجاد نمایند که آن را در یک جهت خاص در نزدیکی یک دیواره هدایت نماید.

 

در مقیاس مولکولی و نانومتری، اگر یک شئ میله ‌مانند به دیواره‌ای نزدیک شود، تحت تاثیر آنتروپی به جهت خاصی خواهد چرخید. این نتیجه، حاصل تحقیقات تیمی از دانشمندان آلمانی است که بیان می‌دارد "نیروی بازدارنده" که بر روی ذرات کلوئیدی عمل می‌کند، نه تنها یک نیروی جاذبه، بلکه یک گشتاور جهت‌دار نیز ایجاد می‌کند.

 

 برای مثال، یک میله نانومتری معلق در محلول و نزدیک به دیواره ظرف را در نظر بگیرید. هرچه این میله به دیواره نزدیکتر می‌شود از توانایی چرخش آزدانه آن کاسته 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 یک گشتاور لازم است.

 

   رولند روت از انیستیتو ماکس – پلانک در اشتوتگارت آلمان و همکارانش معتقدند که این گشتاور آنتروپیک ممکن است در سیستمهای بیولوژیکی بر روی فعل و انفعالات بین یک پروتئین و زیرلایه‌ای که به آن متصل می‌گردد مؤثر باشد. اتصال پروتئین به زیرلایه به صورت نوعی قفل و کلید عمل می‌کند که در آن، زیر لایه کاملاً در داخل حفرة قفل مانند پروتئین چِفت می‌شود. اما برای اینکه این چفت شدن اتفاق بیافتد این زیر لایه باید در جهت درستی قرار بگیرد. آیا ممکن است حفرة پروتئین به منظور فراهم آوردن بهترین جهت نسبت به زیر لایه شکل دهی گردد به طوری که تحت تاثیر نیروهای آنتروپیک قرار گیرد و بدین ترتیب احتمال یک انطباق خوب به حداکثر برسد؟

 

   چنین موضوعاتی ممکن است برای ایجاد وسایل نانومتری دارای چفت و بستهایی که آزادانهدر حرکتند مورد نظر باشد. مثلاً اگر یک گشتاور آنتروپیک موجب تغییر جهت و انحراف راس یک نانولوله کربنی شود، قرار دادن آنرا در داخل یک حفره دشوار خواهد ساخت.

 

نیروهای بازدارنده حاصل تغییر در "فضای آزاد" قابل دسترسی برای ذرات کوچک (مثلاً مولکولهای حلال) ، هنگام نزدیک شدن دو ذره بزرگتر (مثلاً ذرات کلوئیدی) به یکدیگر هستند. به خاطر دافعه بین هسته مرکزی ذرات، در نزدیکی سطح ذرات کلوئیدی ناحیه‌ای وجود دارد که از تجمع توده‌ای ذرات حلال جلوگیری می‌کند. اما اگر دو ذره کلوئیدی با هم تماس پیدا کنند نواحی جلوگیری کننده 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 که این اثر صرفاً یک اثر آنتروپیک است، نیروهای جاذبه فقط در سیستمهایی با هستة ثابت نمود پیدا می‌کند که نیروهای جاذبه طبیعی (نظیر نیروی واندرووالس) بین ذرات وجود ندارد. نیروهای بازدارنده می‌توانند رفتار فازی کلوئیدها را کنترل کنند. مثلاً با افزایش غلظت ذرات کلوئیدی در یک سوسپانسیون، این نیروها باعث جدایی فازی در مخلوطهای کلوئیدی و یا موجب جابجایی فازهای چگال‌تر می‌گردند. به نظر می‌رسد که نیروهای بازدارنده در سیستمهای بیولوژیکی نیز حضور داشته باشند (هرچند چنین رفتاری ممکن است در یک حلال کاملاً ساختاری مانند آب، بسیار پیچیده‌تر باشد) .

 

 به خاطر نیروی بازدارنده، مناسبترین وضعیت یک میله توپر در برخورد با یک دیواره، در حالتی است که میله به موازات این دیواره قرار گرفته و بیشترین سطح برخورد با دیواره را داشته باشد. اما روت و همکارانش می‌گویند که نزدیک شدن چنین میله‌ای به دیواره بسیار پیچیده‌تر از این می‌باشد زیرا در صورت چرخش میله، نیروی بازدارنده به شکل ظریفی تغییر می‌کند.

 

 در حالت رو در رو ممکن است انتظار رود که این میله در جهت موازی به این دیواره نزدیک شود. عملاً این پژوهشگران برای پی بردن به اینکه پتانسیل بازدارندگی در این حالت حداقل مقدار را دارد، از تئوری دانسیته کارکردی- روشی برای یافتن حداقل انرژی برپایه نیروهای درون ذره‌ای- استفاده کردند.

 

 اما مقادیر کمینة دیگری نیز وقتی که میله از دیواره کاملاً دور می‌شود وجود دارد. این مقادیر را می‌توان با بررسی تغییرات گشتاور میله نسبت به زاویة آن با دیواره تعیین کرد. در حالت کمینة پتانسیل، این گشتاور صفر بوده و شیب تغییرات آن نسبت به افزایش زاویه منفی است. به عبارت دیگر نوعی نیروی بازگرداننده وجود دارد که این میله را در یک جهت خاص نگه می‌دارد. در حالتی که میله دور از دیواره قرار دارد، این مقادیر صفر در زوایای بسیار کمتر از 90 درجه (نسبت به حالت موازی) اتفاق می‌افتد. این پژوهشگران پی‌برده‌اند که مدل‌سازیهای رایانه‌ای آنان از چنین سیستمی کاملاً منطبق بر محاسباتی است که با استفاده از تئوری دانسیته کارکردی صورت گرفته است.

 

از آنجا که هر چه میله به دیواره نزدیکتر می‌شود موانع پتانسیلی برای تغییرجهت آن افزایش می‌یابد، این میله در حین نزدیک شدن به دیواره در یکی از این جهات غیرموازی به دام افتاده و نمی‌تواند تغییر جهت دهد؛ با آنکه جهت موازی، عموماً پایدارترین حالت است. از این رو این محققین می‌گویند که این میله در مسیر خاصی به دیواره نزدیک خواهد شد. به طوری که ابتدا یک انتهای آن به دیواره برخورد کرده 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. یک مهندس باهوش نانوتکنولوژی ممکن است بهره‌برداری از این خاصیت را مد نظر قرار دهد.