Ongeveer een decennium geleden, de ontdekking van Fickiaanse maar niet-Gaussiaanse diffusie (FnGD) in zachte en biologische materialen brak het beroemde Einsteins beeld van Brownse beweging. Daten, een dergelijk intrigerend fenomeen is nog steeds onverklaard vanwege de grote experimentele uitdagingen die worden gesteld door de complexe en heterogene aard van de onderliggende materialen. Om deze moeilijkheden te overwinnen, Onderzoekers van de Universiteit van Napels Federico II (Italië) hebben nu licht gebruikt in plaats van complexe materie om een ​​heterogene omgeving te creëren voor deeltjes die diffunderen in water. Het werk, nu gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , komt voort uit een samenwerking tussen de groep Statistical Mechanics of Soft Materials van het Dept. of Chemical, Materiaal- en productietechniek en het laboratorium voor laserspectroscopie en optische manipulatie bij de afdeling natuurkunde.

In dit experiment, een laserstraal gaat door een vloeibaar kristal "Spatial Light Modulator" waardoor een heterogeen lichtpatroon ontstaat. Het lichtpatroon wordt vervolgens geprojecteerd over een systeem van micron-sized glasparels in water, op de deeltjes inwerkend als een krachtveld (optische krachten). De "Spatial Light Modulator" maakt het mogelijk om de patrooneigenschappen met hoge precisie en digitale controle te variëren. Door het samenspel tussen optische krachten en thermische botsingen met watermoleculen, de kralen verkennen het lichtpatroon alsof ze over een ruw oppervlak bewegen. Eigenlijk, het licht kan de heterogene structuur van zachte materialen nabootsen, maar met een veel hogere controle en reproduceerbaarheid in vergelijking met "echte" materialen. Het onderzoeksteam laat zien dat deze experimentele opstelling inderdaad in staat is om de fenomenologie van FnGD nauwkeurig te reproduceren over een ongekend bereik van tijdschalen en verplaatsingswaarschijnlijkheid, ook onthullende nieuwe kenmerken van dit fenomeen.

Een geheugeneffect van eerdere subdiffusie

De rusteloze dans van microscopisch kleine deeltjes als gevolg van thermische botsingen met de moleculen van de omgeving heeft onderzoekers gefascineerd sinds de ontdekking van de Brownse beweging, verantwoordelijk zijn voor de verspreiding, de belangrijkste en meest voorkomende vorm van transportproces. Volgens het werk van Einstein over de standaard Brownse beweging, de passen van deze dans vormen een willekeurige wandeling, wat impliceert dat de gemiddelde vierkante verplaatsing van het deeltje (MSD) lineair toeneemt in de tijd (Fickiaans) en dat de verplaatsingsverdeling een Gaussiaans is, zoals bevestigd door een breed scala aan experimenten. Omgekeerd, gecorreleerde wandelingen (bijvoorbeeld bestaande uit heen-en-weer stappen) aanleiding geven tot abnormale diffusie, bleek niet-Fickiaans en niet-Gaussiaans te zijn. Dus, Men dacht dat Fickiaans en Gaussiaans gedrag nauw verwant waren.

In 2009 in het Granick's Lab (Universiteit van Urbana, Illinois), baanbrekende experimenten met nanometrische kralen in complexe biologische vloeistoffen hebben zo'n goed ingeburgerd scenario doorbroken, het onthullen van het bestaan ​​van een nieuw type diffusie dat verschilt van zowel standaard Brownse beweging als afwijkende diffusie, tegelijkertijd Fickiaans maar niet-Gaussiaans zijn. Vanaf dat moment, zo'n Fickiaanse maar niet-Gaussiaanse diffusie is gevonden in een grote verscheidenheid aan heterogene omgevingen, voornamelijk zachte materie systemen.

De experimentele strategie die nu aan de Universiteit van Napels is uitgewerkt, onthult dat FnGD wordt voorafgegaan door een eerdere afwijkende diffusie (subdiffusie), en dat de twee regimes nauw met elkaar verweven zijn. Dit leidt ertoe dat FnGD wordt geïnterpreteerd als een geheugeneffect:het geheugen van afwijkende diffusie overleeft langer in de verplaatsingsverdeling dan in de MSD, wat leidt tot het tijdelijk naast elkaar bestaan ​​van Fickiaans en niet-Gaussiaans gedrag. Raffaele Pastore en collega's menen dat het geïntroduceerde modelsysteem de weg vrijmaakt voor uitgebreide en fijn afstembare experimenten op FnGD. De mogelijkheid om gemakkelijk een groot aantal lange trajecten te visualiseren, zal hopelijk de kenmerken van de Brownse dans onthullen die ten grondslag liggen aan de contra-intuïtieve coëxistentie van Fickiaanse maar niet-Gaussiaanse dynamiek.