Увеличение энтропии способствует спонтанному образованию упорядоченных структур из неупорядоченных компонентов.Энтропийная самосборка — это процесс, в котором беспорядок, а не порядок, является движущей силой создания структуры. В повседневном понимании энтропия ассоциируется с беспорядком и случайностью, поэтому кажется парадоксальным, что увеличение энтропии может приводить к спонтанному образованию упорядоченных структур. Тем не менее, во многих системах — от коллоидов до биологических молекул — стремление к максимизации энтропии на самом деле заставляет компоненты выстраиваться в удивительно регулярные структуры. Это происходит потому, что «беспорядок», который имеет значение, — это полная свобода движения всех частей системы, и иногда эта свобода максимальна, когда видимые компоненты упаковываются в аккуратную упорядоченную решётку.
Концепция была прояснена в середине XX века, в частности Ларсом Онзагером в 1949 году, который показал, что жёсткие стержни могут образовывать упорядоченную нематическую фазу исключительно за счёт энтропии. Позже, в 1990-х годах, эксперименты с коллоидными частицами подтвердили эти предсказания и сделали это явление широко известным.
Ключевое различие — между энтропией самих компонентов и энтропией окружающей среды (часто растворителя). Когда крупные частицы или молекулы находятся в тесном окружении, их случайные колебания ограничены. Выстраиваясь в упорядоченную структуру, они создают больше свободного объёма для движения молекул растворителя, что увеличивает полную энтропию Вселенной. Упорядоченная структура — это не результат действия сил притяжения, а следствие коллективного стремления системы максимизировать число доступных микроскопических состояний. В науке о коллоидах это часто называют «эффектом истощения» или «стерической стабилизацией».
Это используется в материаловедении для создания фотонных кристаллов, в биологии — для понимания того, как вирусы собираются сами, а в нанотехнологиях — для создания упорядоченных массивов наночастиц для сенсоров и покрытий.
Даже простые твёрдые сферы — без каких-либо сил притяжения — могут спонтанно образовывать кристалл при достаточно высокой концентрации, исключительно потому, что кристаллическая упаковка даёт сферам больше пространства для колебаний.
| E | переменная | энергия конфигурации монополей — энергия Дж |
| R | переменная | расстояние между монополями — расстояние м |
| ∝ | оператор | пропорционально — пропорциональность |
| hcap(γ_t) | переменная | Емкость полуплоскости лёвнерова множества в момент времени t — half plane capacity м² |
| t | переменная | Временной параметр эволюции Лёвнера — время с |
| ΔS_mix | переменная | Изменение энтропии при смешении — entropy change Дж/К |
| x_i | переменная | Мольная доля компонента i — mole fraction |
| R | константа | Универсальная газовая постоянная, связывающая энергетический масштаб с температурой — газовая постоянная = 8.314462618 Дж/(моль·К) |
| ∑ | оператор | Сумма по всем компонентам i — суммирование |
| ln | оператор | Натуральный логарифм — натуральный логарифм |
