Finora gli scienziati hanno dovuto fare affidamento su approssimazioni o punti di vista limitati per analizzare il movimento delle particelle attraverso materiali porosi come tessuti biologici, polimeri, diversi minerali e spugne. Un nuovo studio ha ora offerto una nuova tecnica che presenta interessanti opportunità in diversi contesti.
Scienziati al Università di Bristol hanno scoperto una nuova formula matematica che indica che il movimento diffusivo attraverso il materiale permeabile può essere modellato con precisione per la prima volta. L'equazione arriva un secolo dopo la prima equazione di diffusione, derivata da due dei migliori fisici del mondo, Albert Einstein e Marian von Smoluchowski. Rappresenta un progresso significativo nella rappresentazione del movimento di varie entità, tra cui particelle microscopiche, organismi viventi e dispositivi creati dall'uomo.
L'autore principale Toby Kay, che sta completando un dottorato di ricerca. in Ingegneria Matematica, ha detto: “Ciò segna un passo avanti fondamentale rispetto agli studi di Einstein e Smoluchowski sulla diffusione e rivoluziona la modellizzazione delle entità diffusive attraverso mezzi complessi di tutte le scale, dai componenti cellulari e composti geologici agli habitat ambientali.
“In precedenza, i tentativi matematici di rappresentare il movimento attraverso ambienti disseminati di oggetti che ostacolano il movimento, noti come barriere permeabili, erano limitati. Risolvendo questo problema, stiamo aprendo la strada a progressi entusiasmanti in molti settori diversi perché le barriere permeabili sono abitualmente incontrate da animali, organismi cellulari e esseri umani”.
Per trovare la nuova equazione, gli scienziati hanno dovuto rappresentare microscopicamente il movimento casuale. Successivamente si rimpiccioliscono per descrivere il processo macroscopicamente.
Secondo gli scienziati, sono necessarie ulteriori ricerche per applicare questo strumento matematico ad applicazioni sperimentali.
Hanno notato, “Ad esempio, essere in grado di modellare accuratamente la diffusione delle molecole d’acqua attraverso il tessuto biologico migliorerà l’interpretazione dei valori ponderati per la diffusione. MRI (Risonanza Magnetica) letture. Potrebbe anche offrire una rappresentazione più accurata della diffusione dell’aria imballaggio alimentare materiali, contribuendo a determinare la durata di conservazione e il rischio di contaminazione. Inoltre, quantificare il comportamento degli animali foraggiatori che interagiscono con barriere macroscopiche, come recinzioni e strade, potrebbe fornire previsioni migliori sulle conseguenze del cambiamento climatico a fini di conservazione».
L'autore senior Dr. Luca Giuggioli, Professore Associato in Scienze della Complessità presso l'Università di Bristol, disse: “Questa nuova equazione fondamentale è un altro esempio dell’importanza di costruire strumenti e tecniche per rappresentare la diffusione quando lo spazio è eterogeneo, cioè quando l’ambiente sottostante cambia da un luogo all’altro”.
“Quest’ultima scoperta è un ulteriore passo significativo nel miglioramento della nostra comprensione del movimento in tutte le sue forme – collettivamente definite matematica del movimento – che ha molte interessanti potenziali applicazioni”.
Riferimento della Gazzetta:
- Toby Kay e Luca Giuggioli. Diffusione attraverso interfacce permeabili: equazioni fondamentali e loro applicazione alle statistiche di primo passaggio e di tempo locale. Ricerca di revisione fisica.
