القوة الإنتروبية

تعتمد الطاقة الداخلية للغاز المثالي على درجة حرارته فقط، وليس على حجم الوعاء الذي يحتويه، لذا فإن زيادة حجم الوعاء لا تتأثر بتأثير الطاقة كما هو الحال مع ضغط الغاز . وهذا يعني أن ضغط الغاز المثالي ذو أصل إنتروبي. ^{[ 5 ]}

ما هو أصل هذه القوة الإنتروبية؟ الإجابة الأكثر عمومية هي أن تأثير التقلبات الحرارية يميل إلى دفع النظام الديناميكي الحراري نحو حالة ماكروسكوبية تتوافق مع الحد الأقصى لعدد الحالات الميكروسكوبية (أو الحالات الميكروية) المتوافقة مع هذه الحالة الماكروسكوبية. بعبارة أخرى، تميل التقلبات الحرارية إلى دفع النظام نحو حالته الماكروسكوبية ذات الإنتروبيا القصوى . ^{[ 5 ]}

اقترح ر. م. نيومان في البداية المنهج الإنتروبي لحركة براون . ^{[ 3 ] [ 6 ]} اشتق نيومان القوة الإنتروبية لجسيم يخضع لحركة براون ثلاثية الأبعاد باستخدام معادلة بولتزمان ، وأطلق على هذه القوة اسم قوة الدفع الانتشارية أو القوة الشعاعية . في هذه الورقة، نعرض ثلاثة أنظمة كمثال تُظهر هذه القوة:  

• النظام الكهروستاتيكي للأملاح المنصهرة ،
• التوتر السطحي و
• مرونة المطاط .

من الأمثلة الشائعة على القوة الإنتروبية مرونة جزيء بوليمر ذي مفاصل حرة . ^{[ 6 ]} بالنسبة لسلسلة مثالية، فإن تعظيم إنتروبيتها يعني تقليل المسافة بين طرفيها الحرين. ونتيجة لذلك، تُمارس السلسلة المثالية قوةً بين طرفيها الحرين، مما يؤدي إلى انهيارها. تتناسب هذه القوة الإنتروبية طرديًا مع المسافة بين الطرفين. ^{[ 5 ] [ 7 ]} للقوة الإنتروبية الناتجة عن سلسلة ذات مفاصل حرة أصل ميكانيكي واضح، ويمكن حسابها باستخدام ديناميكيات لاغرانج المقيدة . ^{[ 8 ]} فيما يتعلق بالبوليمرات البيولوجية، يبدو أن هناك ارتباطًا وثيقًا بين القوة الإنتروبية والوظيفة. على سبيل المثال، ثبت أن أجزاء عديد الببتيد غير المنتظمة - في سياق المناطق المطوية من سلسلة عديد الببتيد نفسها - تولد قوة إنتروبية لها آثار وظيفية. ^{[ 9 ]}  

مثال آخر على القوة الإنتروبية هو القوة الكارهة للماء . عند درجة حرارة الغرفة، تنشأ هذه القوة جزئيًا من فقدان الإنتروبيا بواسطة الشبكة ثلاثية الأبعاد لجزيئات الماء عند تفاعلها مع جزيئات المادة المذابة . كل جزيء ماء قادر على

• عن طريق التبرع برابطتين هيدروجينيتين من خلال البروتونين،
• قبول رابطتين هيدروجينيتين إضافيتين من خلال زوجي الإلكترونات المنفردين المهجنين sp3 ^.

لذا، تستطيع جزيئات الماء تكوين شبكة ثلاثية الأبعاد ممتدة. ويؤدي وجود سطح لا يُكوّن روابط هيدروجينية إلى تعطيل هذه الشبكة. فتعيد جزيئات الماء ترتيب نفسها حول السطح لتقليل عدد الروابط الهيدروجينية المعطلة. وهذا يختلف عن فلوريد الهيدروجين (الذي يمكنه استقبال 3 روابط هيدروجينية ولكنه يمنح رابطة واحدة فقط) أو الأمونيا (التي يمكنها منح 3 روابط هيدروجينية ولكنها تستقبل رابطة واحدة فقط)، واللذان يُكوّنان في الغالب سلاسل خطية.

إذا كان السطح المُدخل ذا طبيعة أيونية أو قطبية، فستكون جزيئات الماء منتصبة على مدار واحد (على طول محور مدار الرابطة الأيونية) أو مدارين (على طول محور القطبية الناتج) من مدارات sp³ الأربعة ^. [ ^{10 ] تسمح} هذه التوجهات بسهولة الحركة، أي بدرجات حرية، وبالتالي تُقلل الإنتروبيا بشكل طفيف. لكن السطح غير المُكوّن للروابط الهيدروجينية ذو الانحناء المعتدل يُجبر جزيء الماء على التمركز بإحكام على السطح، مُكوّنًا ثلاث روابط هيدروجينية مماسية للسطح، والتي تُصبح بدورها مُقيدة في شكل سلة شبيهة بالكلاثريت . جزيئات الماء المُشاركة في هذه السلة الشبيهة بالكلاثريت حول السطح غير المُكوّن للروابط الهيدروجينية تكون مُقيدة في توجهها. وبالتالي، فإن أي حدث من شأنه تقليل هذا السطح يُعتبر مُفضلاً من الناحية الإنتروبية. على سبيل المثال، عندما يقترب جزيئان كارهان للماء من بعضهما البعض، تندمج السلال الشبيهة بالكلاثريت المُحيطة بهما. يُؤدي هذا إلى إطلاق بعض جزيئات الماء في كتلة الماء، مما يُؤدي إلى زيادة في الإنتروبيا.

مثال آخر ذو صلة وغير بديهي للقوة الإنتروبية هو طي البروتين ، وهي عملية تلقائية يلعب فيها التأثير الكاره للماء دورًا أيضًا. ^{[ 11 ]} عادةً ما تحتوي هياكل البروتينات الذائبة في الماء على لبٍّ تُحجب فيه السلاسل الجانبية الكارهة للماء عن الماء، مما يُثبّت الحالة المطوية. ^{[ 12 ]} تقع السلاسل الجانبية المشحونة والقطبية على السطح المُعرَّض للمذيب حيث تتفاعل مع جزيئات الماء المحيطة. يُعد تقليل عدد السلاسل الجانبية الكارهة للماء المُعرَّضة للماء القوة الدافعة الرئيسية وراء عملية الطي، ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} على الرغم من أن تكوين الروابط الهيدروجينية داخل البروتين يُثبّت أيضًا بنية البروتين. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

تُعدّ القوى الإنتروبية مهمة وواسعة الانتشار في فيزياء الغرويات ، ^{[ 17 ]} حيث إنها مسؤولة عن قوة الاستنزاف ، وترتيب الجسيمات الصلبة، مثل تبلور الكرات الصلبة ، والانتقال من الطور المتناحي إلى الطور النيماتيكي في أطوار البلورات السائلة للقضبان الصلبة، وترتيب المجسمات متعددة السطوح الصلبة. ^{[ 17 ] [ 18 ]} ولهذا السبب، يمكن أن تكون القوى الإنتروبية محركًا مهمًا للتجميع الذاتي. ^{[ 17 ]}

تنشأ قوى الإنتروبيا في الأنظمة الغروية نتيجةً للضغط الأسموزي الناجم عن تكدس الجسيمات. وقد اكتُشف هذا لأول مرة، وهو الأكثر وضوحًا، في مخاليط الغرويات والبوليمرات الموصوفة بنموذج أساكورا-أوساوا . في هذا النموذج، تُقارب البوليمرات على أنها كرات ذات حجم محدود يمكنها اختراق بعضها البعض، لكنها لا تستطيع اختراق الجسيمات الغروية. يؤدي عدم قدرة البوليمرات على اختراق الغرويات إلى منطقة حول الغرويات تقل فيها كثافة البوليمر. إذا تداخلت مناطق انخفاض كثافة البوليمر حول غروانيين، نتيجةً لتقارب الغروانيين، فإن البوليمرات في النظام تكتسب حجمًا حرًا إضافيًا يساوي حجم منطقة تقاطع مناطق انخفاض الكثافة. يتسبب هذا الحجم الحر الإضافي في زيادة إنتروبيا البوليمرات، ويدفعها إلى تكوين تجمعات كثيفة محليًا. يحدث تأثير مماثل في الأنظمة الغروية ذات الكثافة الكافية الخالية من البوليمرات، حيث يدفع الضغط الأسموزي أيضًا التراص الكثيف الموضعي ^{[ 17 ]} للغرويات إلى مجموعة متنوعة من البنى ^{[ 18 ]} التي يمكن تصميمها بشكل منطقي عن طريق تعديل شكل الجسيمات. ^{[ 19 ]} تُعرف هذه التأثيرات، بالنسبة للجسيمات غير المتناحية، باسم قوى الإنتروبيا الاتجاهية. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

تُحرك القوى الانقباضية في الخلايا البيولوجية عادةً بواسطة محركات جزيئية مرتبطة بالهيكل الخلوي . ومع ذلك، تشير أدلة متزايدة إلى أن هذه القوى قد تكون ذات منشأ إنتروبي أيضًا. ^{[ 22 ]} المثال الأساسي هو عمل بروتين Ase1 الرابط للأنابيب الدقيقة، والذي يتمركز في مناطق تداخل الأنابيب الدقيقة في المغزل الانقسامي . تقتصر جزيئات Ase1 على منطقة تداخل الأنابيب الدقيقة، حيث يمكنها الانتشار بحرية في بُعد واحد. وكما هو الحال مع الغاز المثالي في وعاء، تُولد جزيئات Ase1 ضغطًا على نهايات التداخل. يدفع هذا الضغط تمدد منطقة التداخل، مما يؤدي إلى انزلاق الأنابيب الدقيقة انقباضيًا. ^{[ 23 ]} وُجد مثال مشابه في الهيكل الخلوي للأكتين . هنا، يُحفز بروتين أنيلين المُجمع للأكتين انقباض الأكتين في حلقات الانقسام الخلوي . ^{[ 24 ]}

في عام ٢٠٠٩، جادل إريك فيرليند بأن الجاذبية يمكن تفسيرها كقوة إنتروبية. ^{[ ٤ ]} وادعى (على غرار نتيجة جاكوبسون ) أن الجاذبية هي نتيجة "للمعلومات المرتبطة بمواقع الأجسام المادية". يجمع هذا النموذج بين المنهج الديناميكي الحراري للجاذبية ومبدأ جيرارد هوفت الهولوغرافي . ويشير إلى أن الجاذبية ليست تفاعلاً أساسياً ، بل ظاهرة ناشئة . ^{[ ٤ ]}

في أعقاب النقاش الذي بدأه فيرليند، طُرحت تفسيرات إنتروبية لقوى أساسية أخرى، ^{[ 25 ]} بما في ذلك قانون كولوم . ^{[ 26 ] [ 27 ]} وقد طُرح النهج نفسه لتفسير المادة المظلمة والطاقة المظلمة وتأثير بايونير . ^{[ 28 ]}