Uma equipe de pesquisadores do King’s Faculty e do Imperial Faculty London propôs uma nova maneira de calcular a produção de entropia em sistemas de matéria ativa
Matéria ativa é matéria composta por um grande número de constituintes ativos, cada um dos quais consome energia química para se mover ou exercer forças mecânicas.
Este tipo de matéria é comumente encontrado na biologia: bactérias nadadoras ou células migratórias são exemplos clássicos. Além disso, uma ampla gama de sistemas sintéticos, como colóides ativos ou enxames robóticos, também pode cair neste guarda-chuva.
A matéria ativa tem sido, portanto, o foco de muitas pesquisas na última década, revelando muitas características teóricas surpreendentes e sugerindo uma infinidade de aplicações.
Talvez o mais importante seja que a capacidade destes sistemas para realizar trabalho leva a um comportamento sustentado de desequilíbrio. Isto é distintamente diferente daquele dos sistemas termodinâmicos de equilíbrio relaxante, comumente encontrados em outras áreas da física.
O conceito de produção de entropia é frequentemente usado para quantificar essa diferença e calcular quanto trabalho útil pode ser executado. Contudo, se quisermos colher e utilizar este trabalho, precisamos de compreender a dinâmica de pequena escala do sistema. E acontece que isso é bastante complicado.
Uma forma de calcular a produção de entropia é através da teoria de campo, o carro-chefe da mecânica estatística. As teorias de campo tradicionais simplificam o sistema suavizando os detalhes, o que funciona bem para prever densidades e correlações. No entanto, estas aproximações muitas vezes ignoram a natureza particular person das partículas, levando a resultados incorretos para a produção de entropia.
O novo artigo detalha uma melhoria substancial neste método. Ao fazer uso Teoria de campo de Doi-Peliti, eles são capazes de acompanhar a dinâmica das partículas microscópicas, incluindo reações e interações.
A abordagem parte do Equação de Fokker-Planck e fornece uma maneira sistemática de calcular a produção de entropia a partir dos primeiros princípios. Pode ser estendido para incluir interações entre partículas e produzir fórmulas gerais e compactas que funcionam para uma ampla gama de sistemas. Essas fórmulas são práticas porque podem ser aplicadas tanto em simulações quanto em experimentos.
Os autores demonstraram seu método com numerosos exemplos, incluindo sistemas de partículas brownianas ativas, mostrando sua ampla utilidade. O grande desafio futuro, porém, é alargar o seu enquadramento a não-Markoviano sistemas, aqueles onde os estados futuros dependem do presente bem como estados passados.