Verschillende recente experimenten identificeren ongebruikelijke patronen in deeltjesdiffusie, wat duidt op een onderliggende complexiteit in het proces die natuurkundigen nog moeten ontdekken. Via een nieuwe analyse gepubliceerd in The European Physical Journal B laten Adrian Pacheco-Pozo en Igor Sokolov van de Humboldt Universiteit van Berlijn zien hoe dit gedrag naar voren komt door sterke correlaties tussen de posities van diffunderende deeltjes die zich langs vergelijkbare trajecten verplaatsen.

Hun resultaten kunnen onderzoekers helpen betere modellen van het diffusieproces te maken, waardoor uiteindelijk dieper inzicht ontstaat in hoe vloeistoffen zich gedragen.

In veel gevallen vindt diffusie plaats door willekeurige fluctuaties in de posities van deeltjes terwijl ze door hun buren worden verdrongen. Dit effect staat bekend als de Brownse beweging en kan wiskundig worden gevisualiseerd met behulp van de normale verdeling:een klokvormige curve die de waarschijnlijkheid illustreert dat een deeltje wordt aangetroffen bij een bepaalde verplaatsing vanaf zijn startpositie. Maar in sommige situaties kan deze verdeling een scherpe piek in het midden vertonen (helemaal bovenaan de belcurve), waar de kans op het vinden van deeltjes bijzonder groot is.

Dit gedrag heeft veel gemeen met theoretische modellen die worden gekenmerkt door diffusiesnelheden die variëren tussen gelokaliseerde regio's - waar, in tegenstelling tot de verwachting dat de centrale piek in de loop van de tijd zal afvlakken, deze feitelijk smaller wordt en scherp blijft.

In hun onderzoek onderzochten Pacheco-Pozo en Sokolov de aard van deze aanhoudende piek door rekening te houden met de wiskunde van 'continuous-time random walk'-modellen. Hier wacht een diffunderend deeltje een willekeurige tijd voordat het naar een nieuwe positie springt – en hoe langer het wacht, hoe verder het springt.

In dit geval liet het duo zien dat er een scherpe centrale piek ontstaat door sterke correlaties tussen de verplaatsingen van springende deeltjes die vergelijkbare trajecten volgen, zowel in tijd als in ruimte. Toch kon het continue-tijd-random-walk-model niet volledig overeenkomen met de vorm van de scherpe piek. Dit suggereert het belang van complexere, in de tijd variërende verbindingen tussen deeltjes, die de onderzoekers nu hopen te onderzoeken in hun toekomstige studies.

Meer informatie: Adrian Pacheco-Pozo et al., Willekeurige wandelingen in gecorreleerde diffusiviteitslandschappen, The European Physical Journal B (2023). DOI:10.1140/epjb/s10051-023-00621-z

Journaalinformatie: Europees fysiek tijdschrift B

Geleverd door SciencePOD