До сих пор ученым приходилось полагаться на приближения или ограниченные точки зрения, чтобы анализировать движение частиц через пористые материалы, такие как биологические ткани, полимеры, различные минералы и губки. Новое исследование предложило новую технику, открывающую захватывающие возможности в различных условиях.
Ученые на Бристольского университета открыли новую математическую формулу, указывающую на то, что диффузионное движение через проницаемый материал может быть впервые точно смоделировано. Это уравнение появилось спустя столетие после первого уравнения диффузии, выведенного двумя ведущими физиками мира. Альберт Эйнштейн и Мариан фон Смолуховский. Это представляет собой значительный прогресс в представлении движения различных объектов, включая микроскопические частицы, живые организмы и искусственные устройства.
Ведущий автор Тоби Кей, получающий докторскую степень. по инженерной математике, сказал: «Это знаменует собой фундаментальный шаг вперед со времен исследований Эйнштейна и Смолуховского по диффузии и революционизирует моделирование диффузионных объектов через сложные среды всех масштабов, от клеточных компонентов и геологических соединений до среды обитания.
«Раньше математические попытки представить движение через среду, усеянную объектами, препятствующими движению, известными как проницаемые барьеры, были ограничены. Решая эту проблему, мы прокладываем путь к впечатляющим достижениям во многих различных секторах, поскольку с проницаемыми барьерами обычно сталкиваются животные, клеточные организмы и люди».
Чтобы найти новое уравнение, ученым пришлось представить случайное движение микроскопически. Затем они уменьшают масштаб изображения, чтобы описать процесс макроскопически.
По мнению ученых, необходимы дальнейшие исследования, чтобы применить этот математический инструмент в экспериментальных целях.
Они отметили, «Например, возможность точно смоделировать диффузию молекул воды через биологическую ткань будет способствовать интерпретации диффузионно-взвешенных показателей. МРТ (Магнитно-резонансная томография). Это также могло бы предложить более точное представление о распространении воздуха через упаковка для еды материалов, помогая определить срок годности и риск загрязнения. Кроме того, количественная оценка поведения животных, добывающих пищу, взаимодействующих с макроскопическими барьерами, такими как заборы и дороги, может обеспечить более точные прогнозы последствий изменения климата для природоохранных целей».
Старший автор доктор Лука Джуджиоли, доцент кафедры наук о сложности Бристольского университета, — сказал: «Это новое фундаментальное уравнение является еще одним примером важности создания инструментов и методов для представления диффузии, когда пространство неоднородно, то есть, когда основная среда меняется от места к месту».
«Это последнее открытие является еще одним важным шагом в улучшении нашего понимания движения во всех его формах и формах (в совокупности называемых математикой движения), которое имеет множество интересных потенциальных приложений».
Справочник журнала:
- Тоби Кей и Лука Джуджиоли. Диффузия через проницаемые интерфейсы: фундаментальные уравнения и их применение к статистике первого прохождения и местному времени. Физический обзор исследований.
