Udfordrende Einsteins billede af Brownsk bevægelse

For omkring et årti siden, opdagelsen af ​​Fickian, men ikke-Gaussian Diffusion (FnGD) i bløde og biologiske materialer, brød den berømte Einsteins billede af Brownsk bevægelse op. Til dato, et så spændende fænomen er stadig uforklarligt på grund af de store eksperimentelle udfordringer, som de underliggende materialers komplekse og heterogene natur udgør. For at overvinde disse vanskeligheder, forskere ved University of Napoli Federico II (Italien) har nu udnyttet lys i stedet for komplekst stof til at skabe et heterogent miljø for partikler, der diffunderer i vand. Arbejdet, nu udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , udspringer af et samarbejde mellem gruppen af ​​Statistisk Mekanik af Bløde Materialer ved Kemisk Institut, Materiale- og produktionsteknik og laboratoriet for laserspektroskopi og optisk manipulation ved Fysisk Afd.

I dette eksperiment, en laserstråle passerer gennem en flydende krystal "Spatial Light Modulator", hvilket giver anledning til et heterogent lysmønster. Lysmønsteret projiceres derefter over et system af mikronstore glasperler i vand, virker på partiklerne som et kraftfelt (optiske kræfter). "Spatial Light Modulator" giver mulighed for at variere mønsteregenskaberne med høj præcision og digital kontrol. På grund af samspillet mellem optiske kræfter og termiske kollisioner med vandmolekyler, perlerne udforsker lysmønsteret, som om de bevægede sig over en ru overflade. Faktisk, lyset er i stand til at efterligne den heterogene struktur af bløde materialer, men med meget højere kontrol og reproducerbarhed sammenlignet med "rigtige" materialer. Forskerholdet viser, at denne eksperimentelle opsætning faktisk er i stand til fint at reproducere fænomenologien af ​​FnGD over et hidtil uset interval af tidsskalaer og forskydningssandsynlighed, afslører også nye træk ved dette fænomen.

En hukommelseseffekt af tidligere subdiffusion

Den rastløse dans af mikroskopiske partikler på grund af termiske kollisioner med miljøets molekyler har fascineret forskere siden opdagelsen af ​​Brownsk bevægelse, være ansvarlig for spredning, den vigtigste og mest udbredte form for transportproces. Ifølge Einsteins arbejde med standard Brownsk bevægelse, trinene i denne dans danner en tilfældig gåtur, hvilket betyder, at partikelmiddelkvadratforskydningen (MSD) stiger lineært over tid (fickian), og forskydningsfordelingen er en Gaussisk, som bekræftet af en lang række eksperimenter. Omvendt korrelerede gåture (f.eks. opbygget af frem-og-frem-trin) giver anledning til unormal diffusion, fundet at være ikke-fiksk og ikke-gaussisk. Dermed, Fickisk og Gaussisk adfærd blev anset for at være tæt forbundet.

I 2009 på Granick's Lab (University of Urbana, Illinois), banebrydende eksperimenter med nanometriske perler i komplekse biologiske væsker opbrød et sådant veletableret scenarie, afsløre eksistensen af ​​en ny type diffusion, der er forskellig fra både standard Brownsk bevægelse og unormal diffusion, at være samtidig Fickian, men ikke-Gaussisk. Siden da, en sådan fiksk, men ikke-Gaussisk diffusion er blevet fundet i en lang række heterogene miljøer, hovedsageligt blødt stof systemer.

Den eksperimentelle strategi, der nu er udarbejdet ved University of Napoli, afslører, at FnGD er forudgået af en tidligere unormal diffusion (subdiffusion), og at de to regimer er tæt sammenfiltrede. Dette fører til at fortolke FnGD som en hukommelseseffekt:Hukommelsen om uregelmæssig diffusion overlever længere i forskydningsfordelingen end i MSD, fører til den midlertidige sameksistens af Fickian og ikke-Gaussisk adfærd. Raffaele Pastore og kolleger vurderer, at det introducerede model-system åbner vejen for omfattende og finjusterbare eksperimenter på FnGD. Muligheden for let at visualisere et stort antal lange baner vil forhåbentlig afsløre de træk ved den brownske dans, der ligger til grund for den kontraintuitive sameksistens af Fickian, men ikke-Gaussisk dynamik.