Entropie kann mit optischen Pinzetten gemessen werden

Zur Messung der Entropie benutzte das Team von Arjun Yogd von der Universität Pennsylvania Glaskugeln mit einem Durchmesser von einem Mikrometer in einer Flüssigkeit. Mit zwei Laserstrahlen wurden je zwei dieser Kugeln “gefangen” und einander angenähert. Das Prinzip dieser “optischen Pinzetten” liegt in einer Polarisation der Glaskugeln durch den Laserstrahl. Dadurch werden diese durch elektrische Kräfte in das Zentrum der Strahlen gerückt und können dann mit der Bewegung des Strahles in der Flüssigkeit hin- und hergeschoben werden. Damit ist es auch möglich, die Anziehungskraft zweier nahe benachbarter Kugeln exakt zu bestimmen.

Im nächsten Schritt versetzten die Wissenschaftler die Flüssigkeit samt den Glaskugeln mit ungefähr einem Mikrometer kleinen, stabförmigen Viren. Dies führte zu einer Erhöhung der Anziehungskraft zwischen den gefangenen Kugeln. Der Grund dafür liegt in der Entropie der Virenbewegung, die zu einer effektiv anziehenden Kraft zwischen den Kugeln führt. Die Beobachtung ist im Einklang mit Vorhersagen des Theoretikers Carlos Marques, der dieses System mathematisch untersucht hat.

Der Schlüssel zum Verständnis dieser erhöhten Anziehungskraft liegt in der Entropie der Virenbewegung. Mit dem Begriff Entropie bezeichnet man in der Physik den Grad der Unordnung eines Systems, wobei im Gleichgewichtszustand die Entropie maximal ist.

Je ungehinderter sich die Viren bewegen können, desto höher ist ihre Entropie. Daher meiden die Viren den Bereich zwischen dem Glaskugelpaar – dort wären ihre Bewegungsmöglichkeiten eingeschränkt. Die Entropie des Systems ist daher maximal, wenn sich die Viren nicht in diesem Zwischenraum aufhalten. Dies führt zu einer effektiven Anziehungskraft zwischen den beiden Glaskugeln.

Die Entropiekräfte spielen besonders bei biochemischen Reaktionen eine wichtige Rolle. Der Verlauf derartiger Reaktionen wird durch zwei gegenteilige Prinzipien – die Minimierung der Energie und die Maximierung der Entropie – bestimmt. Daher nimmt die Entropiegrundlagenforschung einen hohen Stellenwert in der Physik ein.

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