Undersøgelse af tilfældige vandringers rolle i partikeldiffusion

Adskillige nylige eksperimenter identificerer usædvanlige mønstre i partikeldiffusion, hvilket antyder en underliggende kompleksitet i processen, som fysikere endnu ikke har opdaget. Gennem ny analyse offentliggjort i The European Physical Journal B , Adrian Pacheco-Pozo og Igor Sokolov ved Humboldt University of Berlin viser, hvordan denne adfærd opstår gennem stærke korrelationer mellem positionerne af diffuserende partikler, der bevæger sig langs lignende baner.

Deres resultater kan hjælpe forskerne med at skabe bedre modeller af diffusionsprocessen – og i sidste ende trække dybere indsigt i, hvordan væsker opfører sig.

I mange tilfælde sker diffusion gennem tilfældige udsving i partiklernes positioner, når de skubbes rundt af deres naboer. Kendt som Brownsk bevægelse, kan denne effekt visualiseres matematisk ved hjælp af normalfordeling:en klokkeformet kurve, der illustrerer sandsynligheden for at finde en partikel ved en given forskydning fra dens startposition. Alligevel kan denne fordeling i nogle situationer have en skarp top i midten – helt øverst på klokkekurven – hvor sandsynligheden for at finde partikler er særlig høj.

Denne adfærd har meget til fælles med teoretiske modeller, der er karakteriseret ved diffusionshastigheder, der varierer mellem lokaliserede regioner - hvor den i modsætning til forventningen om, at den centrale top vil udjævne over tid, faktisk indsnævres og forbliver skarp.

I deres undersøgelse undersøgte Pacheco-Pozo og Sokolov arten af ​​denne vedvarende top ved at overveje matematikken i 'kontinuerlig-tidstilfældig gang'-modeller. Her venter en diffuserende partikel i et tilfældigt tidsrum, før den hopper til en ny position – og jo længere den venter, jo længere springer den.

I dette tilfælde viste duoen, at en skarp central top fremkommer gennem stærke korrelationer mellem forskydninger af hoppende partikler, der følger lignende baner, både i tid og rum. Alligevel kunne den kontinuerlige tilfældige gang-model ikke helt matche formen på den skarpe top. Dette antyder vigtigheden af ​​mere komplekse tidsvarierende forbindelser mellem partikler, som forskerne nu håber at kunne undersøge i deres fremtidige studier.

Flere oplysninger: Adrian Pacheco-Pozo et al., Tilfældige vandringer i korrelerede diffusivitetslandskaber, The European Physical Journal B (2023). DOI:10.1140/epjb/s10051-023-00621-z

Journaloplysninger: European Physical Journal B

Leveret af SciencePOD