[Zohreh Gholami]

آنتروپي در مقياس نانومتري


15 آگوست 2002- نيروهاي بازدارنده- فعل و انفعالات آنتروپيك كه ذرات كلوئيدي را جذب يكديگر ميكند- مي توانند 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 مي دارد "نيروي بازدارنده" كه بر روي ذرات كلوئيدي عمل ميكند، نه تنها يك نيروي جاذبه، بلكه يك گشتاور جهتدار نيز ايجاد مي كند.

براي مثال، يك ميله نانومتري معلق در محلول و نزديك به ديواره ظرف را در نظر بگيريد. هرچه اين ميله به ديواره نزديكتر مي شود از توانايي چرخش آزدانه آن كاسته مي شود 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 سيستم هاي بيولوژيكي بر روي فعل و انفعالات بين يك پروتئين و زيرلايهاي كه به آن متصل مي گردد 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 مولكول هاي 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 مي گردد.

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 جابه جايي فازهاي چگالتر مي گردند. به نظر مي رسد 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 مي كند.

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 مدلسازي هاي 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 نمي شود زيرا برخي جهات متقدم وجود دارد. يك مهندس باهوش نانوتكنولوژي ممكن است بهرهبرداري از اين خاصيت را مد نظر قرار دهد.



منبع: www. nature. com