fuerza entrópica

La energía interna de un gas ideal depende únicamente de su temperatura, y no del volumen de la caja que lo contiene, por lo que no se trata de un efecto energético que tienda a aumentar el volumen de la caja como lo hace la presión del gas . Esto implica que la presión de un gas ideal tiene un origen entrópico. ^{[ 5 ]}

¿Cuál es el origen de dicha fuerza entrópica? La respuesta más general es que el efecto de las fluctuaciones térmicas tiende a llevar un sistema termodinámico hacia un estado macroscópico que corresponde a un máximo en el número de estados microscópicos (o microestados) compatibles con este estado macroscópico. En otras palabras, las fluctuaciones térmicas tienden a llevar un sistema hacia su estado macroscópico de máxima entropía . ^{[ 5 ]}

El enfoque entrópico del movimiento browniano fue propuesto inicialmente por R.  M.  Neumann. ^{[ 3 ] [ 6 ]} Neumann derivó la fuerza entrópica para una partícula que experimenta un movimiento browniano tridimensional utilizando la ecuación de Boltzmann , denominando a esta fuerza como fuerza impulsora de difusión o fuerza radial . En el artículo, se muestran tres sistemas de ejemplo que exhiben dicha fuerza:

• sistema electrostático de sal fundida ,
• tensión superficial y,
• elasticidad del caucho .

Un ejemplo estándar de fuerza entrópica es la elasticidad de una molécula de polímero con articulaciones libres . ^{[ 6 ]} Para una cadena ideal, maximizar su entropía significa reducir la distancia entre sus dos extremos libres. En consecuencia, la cadena ideal ejerce una fuerza que tiende a colapsarla entre sus dos extremos libres. Esta fuerza entrópica es proporcional a la distancia entre los dos extremos. ^{[ 5 ] [ 7 ]} La fuerza entrópica de una cadena con articulaciones libres tiene un claro origen mecánico y puede calcularse mediante dinámica lagrangiana restringida . ^{[ 8 ]} En lo que respecta a los polímeros biológicos, parece existir un vínculo intrincado entre la fuerza entrópica y la función. Por ejemplo, se ha demostrado que los segmentos polipeptídicos desordenados —en el contexto de las regiones plegadas de la misma cadena polipeptídica— generan una fuerza entrópica con implicaciones funcionales. ^{[ 9 ]}  

Otro ejemplo de fuerza entrópica es la fuerza hidrofóbica . A temperatura ambiente, se origina en parte por la pérdida de entropía de la red tridimensional de moléculas de agua cuando interactúan con moléculas de sustancia disuelta . Cada molécula de agua es capaz de

• donando dos enlaces de hidrógeno a través de los dos protones,
• aceptando dos enlaces de hidrógeno más a través de los dos pares de electrones no enlazantes con hibridación sp ³ .

Por lo tanto, las moléculas de agua pueden formar una extensa red tridimensional. La introducción de una superficie sin enlaces de hidrógeno interrumpe esta red. Las moléculas de agua se reorganizan alrededor de la superficie para minimizar la cantidad de enlaces de hidrógeno interrumpidos. Esto contrasta con el fluoruro de hidrógeno (que puede aceptar 3 pero dona solo 1) o el amoníaco (que puede donar 3 pero acepta solo 1), que forman principalmente cadenas lineales.

Si la superficie introducida tuviera una naturaleza iónica o polar, habría moléculas de agua en posición vertical sobre 1 (a lo largo del eje de un orbital para el enlace iónico) o 2 (a lo largo de un eje de polaridad resultante) de los cuatro orbitales sp³. ^{[ 10 ] Estas} orientaciones permiten un fácil movimiento, es decir grados de libertad, y por lo tanto reducen la entropía mínimamente. Pero una superficie sin enlaces de hidrógeno con una curvatura moderada obliga a la molécula de agua a permanecer firmemente sobre la superficie, extendiendo 3 enlaces de hidrógeno tangenciales a la superficie, que luego quedan atrapados en una forma de cesta similar a un clatrato . Las moléculas de agua involucradas en esta cesta similar a un clatrato alrededor de la superficie sin enlaces de hidrógeno están restringidas en su orientación. Por lo tanto, cualquier evento que minimice dicha superficie es favorecido entrópicamente. Por ejemplo, cuando dos partículas hidrofóbicas de este tipo se acercan mucho, las cestas similares a clatratos que las rodean se fusionan. Esto libera algunas de las moléculas de agua en el seno del agua, lo que lleva a un aumento de la entropía.

Otro ejemplo relacionado y contraintuitivo de fuerza entrópica es el plegamiento de proteínas , que es un proceso espontáneo y donde el efecto hidrofóbico también juega un papel. ^{[ 11 ]} Las estructuras de las proteínas solubles en agua suelen tener un núcleo en el que las cadenas laterales hidrofóbicas están enterradas del agua, lo que estabiliza el estado plegado. ^{[ 12 ]} Las cadenas laterales cargadas y polares se sitúan en la superficie expuesta al disolvente donde interactúan con las moléculas de agua circundantes. Minimizar el número de cadenas laterales hidrofóbicas expuestas al agua es la principal fuerza impulsora del proceso de plegamiento, ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} aunque la formación de enlaces de hidrógeno dentro de la proteína también estabiliza la estructura proteica. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Las fuerzas entrópicas son importantes y generalizadas en la física de coloides , ^{[ 17 ]} donde son responsables de la fuerza de agotamiento y del ordenamiento de partículas duras, como la cristalización de esferas duras , la transición isotrópica- nemática en fases de cristal líquido de varillas duras y el ordenamiento de poliedros duros. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Debido a esto, las fuerzas entrópicas pueden ser un impulsor importante del autoensamblaje. ^{[ 17 ]}

Las fuerzas entrópicas surgen en los sistemas coloidales debido a la presión osmótica derivada del hacinamiento de partículas. Este fenómeno se descubrió inicialmente en mezclas de coloides y polímeros, descritas por el modelo de Asakura-Oosawa, donde resulta más intuitivo . En este modelo, los polímeros se aproximan a esferas de tamaño finito que pueden penetrarse entre sí, pero no en las partículas coloidales. La incapacidad de los polímeros para penetrar los coloides genera una región alrededor de estos donde la densidad de polímeros se reduce. Si las regiones de densidad reducida de polímeros alrededor de dos coloides se superponen, al acercarse entre sí, los polímeros del sistema adquieren un volumen libre adicional igual al volumen de la intersección de las regiones de densidad reducida. Este volumen libre adicional provoca un aumento en la entropía de los polímeros y los impulsa a formar agregados localmente densos. Un efecto similar ocurre en sistemas coloidales suficientemente densos sin polímeros, donde la presión osmótica también impulsa el empaquetamiento denso local ^{[ 17 ]} de coloides en una variedad diversa de estructuras ^{[ 18 ]} que pueden diseñarse racionalmente modificando la forma de las partículas. ^{[ 19 ]} Estos efectos se denominan fuerzas entrópicas direccionales para partículas anisotrópicas. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Las fuerzas contráctiles en las células biológicas suelen ser impulsadas por motores moleculares asociados al citoesqueleto . Sin embargo, cada vez hay más evidencia de que las fuerzas contráctiles también pueden tener un origen entrópico. ^{[ 22 ]} El ejemplo fundamental es la acción del entrecruzador de microtúbulos Ase1, que se localiza en las superposiciones de microtúbulos en el huso mitótico . Las moléculas de Ase1 se confinan a la superposición de microtúbulos, donde pueden difundirse unidimensionalmente. De forma análoga a un gas ideal en un recipiente, las moléculas de Ase1 generan presión en los extremos de la superposición. Esta presión impulsa la expansión de la superposición, lo que resulta en el deslizamiento contráctil de los microtúbulos. ^{[ 23 ]} Se encontró un ejemplo análogo en el citoesqueleto de actina . En este caso, la proteína de agrupamiento de actina anilina impulsa la contractilidad de la actina en los anillos citocinéticos . ^{[ 24 ]}

En 2009, Erik Verlinde argumentó que la gravedad puede explicarse como una fuerza entrópica. ^{[ 4 ]} Afirmó (de forma similar al resultado de Jacobson ) que la gravedad es consecuencia de la «información asociada a las posiciones de los cuerpos materiales». Este modelo combina el enfoque termodinámico de la gravedad con el principio holográfico de Gerard 't Hooft . Implica que la gravedad no es una interacción fundamental , sino un fenómeno emergente . ^{[ 4 ]}

A raíz del debate iniciado por Verlinde, se han sugerido explicaciones entrópicas para otras fuerzas fundamentales, ^{[ 25 ]} incluyendo la ley de Coulomb . ^{[ 26 ] [ 27 ]} Se argumentó que el mismo enfoque explicaba la materia oscura , la energía oscura y el efecto Pioneer . ^{[ 28 ]}