นักวิทยาศาสตร์ต้องอาศัยการประมาณหรือมุมมองที่จำกัดจนถึงขณะนี้เพื่อวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของอนุภาคผ่านวัสดุที่มีรูพรุน เช่น เนื้อเยื่อชีวภาพ โพลีเมอร์ แร่ธาตุต่างๆ และฟองน้ำ การศึกษาใหม่ได้นำเสนอเทคนิคใหม่ที่นำเสนอโอกาสที่น่าตื่นเต้นในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย
นักวิทยาศาสตร์ที่ มหาวิทยาลัย Bristol ได้ค้นพบสูตรทางคณิตศาสตร์ใหม่ที่บ่งชี้ว่าการเคลื่อนที่แบบกระจายผ่านวัสดุที่ซึมผ่านได้สามารถจำลองได้อย่างแม่นยำเป็นครั้งแรก สมการนี้เกิดขึ้นหนึ่งศตวรรษหลังจากสมการการแพร่ครั้งแรก ซึ่งได้มาจากนักฟิสิกส์ชั้นนำของโลกสองคน อัลเบิร์ Einstein และแมเรียน ฟอน สโมลูโชสกี้ มันแสดงถึงความก้าวหน้าที่สำคัญในการแสดงการเคลื่อนไหวสำหรับเอนทิตีต่างๆ รวมถึงอนุภาคขนาดเล็กจิ๋ว สิ่งมีชีวิต และอุปกรณ์ที่มนุษย์สร้างขึ้น
ผู้เขียนนำ Toby Kay สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอก สาขาคณิตศาสตร์วิศวกรรมศาสตร์ กล่าวว่า “นี่เป็นก้าวสำคัญที่ก้าวไปข้างหน้านับตั้งแต่การศึกษาของ Einstein และ Smoluchowski เกี่ยวกับการแพร่กระจายและปฏิวัติการสร้างแบบจำลองของเอนทิตีที่แพร่กระจายผ่านสื่อที่ซับซ้อนทุกขนาดตั้งแต่ส่วนประกอบของเซลล์และสารประกอบทางธรณีวิทยาไปจนถึงแหล่งที่อยู่อาศัยของสิ่งแวดล้อม
“ก่อนหน้านี้ ความพยายามทางคณิตศาสตร์ในการแสดงการเคลื่อนไหวผ่านสภาพแวดล้อมที่กระจัดกระจายไปด้วยวัตถุที่ขัดขวางการเคลื่อนไหว หรือที่เรียกว่าสิ่งกีดขวางที่ซึมผ่านได้นั้นมีจำกัด ด้วยการแก้ปัญหานี้ เรากำลังปูทางไปสู่ความก้าวหน้าที่น่าตื่นเต้นในภาคส่วนต่างๆ มากมาย เนื่องจากสัตว์ สิ่งมีชีวิตในเซลล์ และมนุษย์ต้องเผชิญกับอุปสรรคที่ซึมผ่านได้เป็นประจำ”
ในการค้นหาสมการใหม่ นักวิทยาศาสตร์ต้องแสดงการเคลื่อนที่แบบสุ่มด้วยกล้องจุลทรรศน์ จากนั้นพวกเขาก็ซูมออกเพื่ออธิบายกระบวนการแบบมหภาค
ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าจำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อใช้เครื่องมือทางคณิตศาสตร์นี้กับการทดลอง
พวกเขาตั้งข้อสังเกตว่า “ตัวอย่างเช่น ความสามารถในการจำลองการแพร่กระจายของโมเลกุลของน้ำอย่างแม่นยำผ่านเนื้อเยื่อชีวภาพจะทำให้การแปลความหมายของการแพร่กระจายถ่วงน้ำหนักก้าวหน้ายิ่งขึ้น MRI (การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก) การอ่านค่า นอกจากนี้ยังสามารถนำเสนออากาศที่แพร่กระจายผ่านได้แม่นยำยิ่งขึ้น บรรจุภัณฑ์อาหาร วัสดุช่วยในการกำหนดอายุการเก็บรักษาและความเสี่ยงในการปนเปื้อน นอกจากนี้ การหาปริมาณพฤติกรรมการหาอาหารของสัตว์ที่มีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งกีดขวางขนาดมหึมา เช่น รั้วและถนน สามารถให้การคาดการณ์ที่ดีขึ้นเกี่ยวกับผลที่ตามมาจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเพื่อวัตถุประสงค์ในการอนุรักษ์”
ผู้เขียนอาวุโส Dr. Luca Giuggioli รองศาสตราจารย์ด้าน Complexity Sciences ที่ University of Bristol กล่าวว่า: “สมการพื้นฐานใหม่นี้เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของความสำคัญของการสร้างเครื่องมือและเทคนิคเพื่อแสดงการแพร่กระจายเมื่ออวกาศไม่เหมือนกัน นั่นคือเมื่อสภาพแวดล้อมพื้นฐานเปลี่ยนจากสถานที่หนึ่งไปยังอีกสถานที่หนึ่ง”
“การค้นพบครั้งล่าสุดนี้เป็นก้าวสำคัญอีกขั้นในการปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวในทุกรูปทรงและรูปแบบ ซึ่งเรียกรวมกันว่าคณิตศาสตร์ของการเคลื่อนไหว ซึ่งมีศักยภาพในการประยุกต์ที่น่าตื่นเต้นมากมาย”
การอ้างอิงวารสาร:
- โทบี้ เคย์ และลูก้า จิอุจจิโอลี การแพร่กระจายผ่านส่วนต่อประสานที่ซึมผ่านได้: สมการพื้นฐานและการประยุกต์กับสถิติทางแรกและเวลาท้องถิ่น การวิจัยทบทวนทางกายภาพ.
