Une nouvelle théorie pour les phénomènes dissipatifs non linéaires

Perdre de l’énergie est rarement une bonne chose, mais maintenant, des chercheurs au Japon ont montré comment étendre l’applicabilité de la thermodynamique à des systèmes qui ne sont pas en équilibre. En codant les relations de dissipation d’énergie de manière géométrique, ils ont pu projeter les contraintes physiques dans un espace géométrique généralisé. Ces travaux pourraient améliorer considérablement notre compréhension des réseaux de réactions chimiques, y compris ceux qui sous-tendent le métabolisme et la croissance des organismes vivants.

La thermodynamique est la branche de la physique traitant des processus par lesquels l’énergie est transférée entre des entités. Ses prédictions sont cruciales pour la chimie et la biologie lorsqu’il s’agit de déterminer si certaines réactions chimiques, ou réseaux interconnectés de réactions, se dérouleront spontanément. Cependant, alors que la thermodynamique tente d’établir une description générale des systèmes macroscopiques, nous rencontrons souvent des difficultés à travailler sur le système hors d’équilibre. Les tentatives réussies d’étendre le cadre à des situations de non-équilibre ont généralement été limitées à des systèmes et modèles spécifiques.

Dans deux études récemment publiées en Recherche d’examen physique, des chercheurs de l’Institut des sciences industrielles de l’Université de Tokyo ont démontré que des processus complexes de réactions chimiques non linéaires pouvaient être décrits en transformant le problème en une double représentation géométrique. « Avec notre structure, nous pouvons étendre les théories des systèmes hors d’équilibre avec des fonctions de dissipation quadratiques à des cas plus généraux, qui sont importants pour l’étude des réseaux de réactions chimiques », explique le premier auteur Tetsuya J. Kobayashi.

En physique, la dualité est un concept central. Certaines entités physiques sont plus faciles à interpréter lorsqu’elles sont transformées en une représentation différente, mais mathématiquement équivalente. A titre d’exemple, une onde dans l’espace temporel peut être transformée en sa représentation dans l’espace fréquentiel, qui est sa forme duale. Lorsqu’il s’agit de processus chimiques, la force et le flux thermodynamiques sont des représentations duales liées de manière non linéaire – leur produit conduit à la vitesse à laquelle l’énergie est perdue pour la dissipation – dans un espace géométrique induit par la dualité, les scientifiques ont pu montrer comment les relations thermodynamiques peuvent être généralisée même dans les cas hors équilibre.

« La plupart des études précédentes sur les réseaux de réactions chimiques reposaient sur des hypothèses sur la cinétique du système. Nous avons montré comment elles peuvent être traitées plus généralement dans le cas du non-équilibre en utilisant la dualité et la géométrie associée », explique le dernier auteur Yuki Sughiyama. Posséder une compréhension plus universelle des systèmes thermodynamiques et étendre l’applicabilité de la thermodynamique hors équilibre à davantage de disciplines peut fournir un meilleur point de vue pour analyser ou concevoir des réseaux de réaction complexes, tels que ceux utilisés dans les organismes vivants ou les processus de fabrication industrielle.