Wetenschappers moesten tot nu toe vertrouwen op benaderingen of beperkte gezichtspunten om de beweging van deeltjes door poreuze materialen zoals biologische weefsels, polymeren, verschillende mineralen en sponzen te analyseren. Een nieuwe studie heeft nu een nieuwe techniek aangeboden die opwindende kansen biedt in verschillende omgevingen.
Wetenschappers bij de Universiteit van Bristol hebben een nieuwe wiskundige formule ontdekt die aangeeft dat de diffusiebeweging door permeabel materiaal voor het eerst nauwkeurig kan worden gemodelleerd. De vergelijking komt een eeuw na de eerste diffusievergelijking, afgeleid door twee van 's werelds beste natuurkundigen, Albert Einstein en Marian von Smoluchowski. Het vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang in het weergeven van beweging voor verschillende entiteiten, waaronder microscopische deeltjes, levende organismen en door de mens gemaakte apparaten.
Hoofdauteur Toby Kay, die een Ph.D. in Technische Wiskunde, zei: “Dit markeert een fundamentele stap voorwaarts sinds Einstein en Smoluchowski's studies over diffusie en zorgt voor een revolutie in de modellering van diffunderende entiteiten via complexe media van alle schalen, van cellulaire componenten en geologische verbindingen tot milieuhabitats.
"Voorheen waren wiskundige pogingen om beweging weer te geven door omgevingen die bezaaid zijn met objecten die beweging belemmeren, bekend als permeabele barrières, beperkt. Door dit probleem op te lossen, effenen we de weg voor opwindende vooruitgang in veel verschillende sectoren, omdat dieren, cellulaire organismen en mensen routinematig worden geconfronteerd met doorlatende barrières.”
Om de nieuwe vergelijking te vinden, moesten wetenschappers willekeurige bewegingen microscopisch weergeven. Vervolgens zoomen ze uit om het proces macroscopisch te beschrijven.
Volgens wetenschappers is verder onderzoek nodig om deze wiskundige tool toe te passen op experimentele toepassingen.
Ze merkten op, "Als we bijvoorbeeld in staat zijn om de diffusie van watermoleculen nauwkeurig door biologisch weefsel te modelleren, zal de interpretatie van diffusie-gewogen MRI (Magnetic Resonance Imaging) metingen. Het zou ook een nauwkeurigere weergave kunnen bieden van de lucht die zich er doorheen verspreidt de verpakking van levensmiddelen materialen, wat helpt bij het bepalen van de houdbaarheid en het besmettingsrisico. Bovendien zou het kwantificeren van het gedrag van foeragerende dieren die interageren met macroscopische barrières, zoals hekken en wegen, betere voorspellingen kunnen opleveren over de gevolgen van klimaatverandering voor natuurbehoud."
Senior auteur Dr. Luca Giuggioli, Associate Professor in Complexity Sciences aan de Universiteit van Bristol, zei: "Deze nieuwe fundamentele vergelijking is een ander voorbeeld van het belang van het construeren van hulpmiddelen en technieken om diffusie weer te geven wanneer de ruimte heterogeen is, dat wil zeggen wanneer de onderliggende omgeving van locatie naar locatie verandert."
"Deze laatste ontdekking is een verdere belangrijke stap in het verbeteren van ons begrip van beweging in al zijn vormen en vormen - gezamenlijk de wiskunde van beweging genoemd - die veel opwindende potentiële toepassingen heeft."
Journal Reference:
- Toby Kay en Luca Giuggioli. Diffusie door permeabele interfaces: fundamentele vergelijkingen en hun toepassing op first-passage en lokale tijdstatistieken. Fysiek beoordelingsonderzoek.
