עד כה נאלצו מדענים להסתמך על קירובים או נקודות מבט מוגבלות כדי לנתח את תנועת החלקיקים דרך חומרים נקבוביים כמו רקמות ביולוגיות, פולימרים, מינרלים שונים וספוגים. מחקר חדש הציע כעת טכניקה חדשה המציגה הזדמנויות מרגשות במסגרות מגוונות.
מדענים בבית הספר אוניברסיטת בריסטול גילו נוסחה מתמטית חדשה המעידה על כך שניתן לעצב את התנועה המפוזרת דרך חומר חדיר במדויק בפעם הראשונה. המשוואה מגיעה מאה שנה לאחר משוואת הדיפוזיה הראשונה, שנגזרה על ידי שניים מבכירי הפיזיקאים בעולם, אלברט איינשטיין ומריאן פון סמולוצ'ובסקי. זה מייצג התקדמות משמעותית בייצוג תנועה עבור ישויות שונות, כולל חלקיקים מיקרוסקופיים, אורגניזמים חיים והתקנים מעשה ידי אדם.
הסופר הראשי טובי קיי, משלים דוקטורט. במתמטיקה הנדסית, אמר: "זה מסמן צעד מהותי קדימה מאז מחקריהם של איינשטיין וסמולוצ'ובסקי על דיפוזיה וחולל מהפכה במודלים של ישויות מתפזרות באמצעות מדיה מורכבת בכל קנה מידה, ממרכיבים תאיים ותרכובות גיאולוגיות ועד בתי גידול סביבתיים.
"בעבר, ניסיונות מתמטיים לייצג תנועה דרך סביבות מפוזרות בעצמים המעכבים תנועה, הידועים כמחסומים חדירים, היו מוגבלים. על ידי פתרון בעיה זו, אנו סוללים את הדרך להתקדמות מרגשת במגזרים רבים ושונים, מכיוון שבעלי חיים, אורגניזמים תאיים ובני אדם נתקלים באופן שגרתי במחסומים חדירים".
כדי למצוא את המשוואה החדשה, מדענים היו צריכים לייצג תנועה אקראית במיקרוסקופ. לאחר מכן הם מתרחקים כדי לתאר את התהליך באופן מקרוסקופי.
לדברי מדענים, יש צורך במחקר נוסף כדי ליישם את הכלי המתמטי הזה על יישומים ניסיוניים.
הם ציינו, "לדוגמה, היכולת לדגמן דיפוזיה של מולקולות מים בצורה מדויקת דרך רקמה ביולוגית תקדם את הפרשנות של דיפוזיה משוקלל MRI קריאות (הדמיית תהודה מגנטית). זה יכול גם להציע ייצוג מדויק יותר של האוויר המתפשט דרכו אריזת אוכל חומרים, עוזרים לקבוע חיי מדף וסיכוני זיהום. בנוסף, כימות ההתנהגות של בעלי חיים המחפשים מזון באינטראקציה עם מחסומים מקרוסקופיים, כמו גדרות וכבישים, יכול לספק תחזיות טובות יותר לגבי ההשלכות של שינויי האקלים למטרות שימור".
הסופר הבכיר ד"ר לוקה ג'וג'יולי, פרופסור חבר במדעי המורכבות באוניברסיטת בריסטול, אמר: "המשוואה הבסיסית החדשה הזו היא דוגמה נוספת לחשיבות של בניית כלים וטכניקות לייצג דיפוזיה כאשר החלל הוא הטרוגני, כלומר כאשר הסביבה הבסיסית משתנה ממיקום למיקום."
"התגלית האחרונה היא צעד משמעותי נוסף בשיפור ההבנה שלנו של תנועה על כל צורותיה וצורותיה - המכונה ביחד מתמטיקה של תנועה - שיש לה יישומים פוטנציאליים מרגשים רבים."
עיון ביומן:
- טובי קיי ולוקה ג'וג'יולי. דיפוזיה דרך ממשקים חדירים: משוואות יסוד ויישומן בסטטיסטיקה של מעבר ראשון וזמן מקומי. מחקר סקירה גופנית.
