Brownse beweging beschrijft de willekeurige beweging van deeltjes in vloeistoffen, echter, dit revolutionaire model werkt alleen als een vloeistof statisch is, of in evenwicht.

In levensechte omgevingen, vloeistoffen bevatten vaak deeltjes die vanzelf bewegen, zoals kleine zwemmende micro-organismen. Deze zelfrijdende zwemmers kunnen beweging of roering in de vloeistof veroorzaken, waardoor het uit evenwicht raakt.

Experimenten hebben aangetoond dat niet-bewegende 'passieve' deeltjes vreemde, loopy bewegingen bij interactie met 'actieve' vloeistoffen die zwemmers bevatten. Dergelijke bewegingen passen niet bij het conventionele gedrag van deeltjes beschreven door Brownse beweging en tot nu toe, wetenschappers hebben geworsteld om uit te leggen hoe dergelijke grootschalige chaotische bewegingen het gevolg zijn van microscopische interacties tussen individuele deeltjes.

Nu onderzoekers van de Queen Mary University of London, Tsukuba-universiteit, École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Imperial College London, hebben een nieuwe theorie gepresenteerd om waargenomen deeltjesbewegingen in deze dynamische omgevingen te verklaren.

Ze suggereren dat het nieuwe model ook kan helpen voorspellingen te doen over echt gedrag in biologische systemen, zoals de foerageerpatronen van zwemmende algen of bacteriën.

Dr. Adrian Baule, Hoofddocent Toegepaste Wiskunde aan de Queen Mary University of London, wie heeft het project geleid, zei:"Brownse beweging wordt veel gebruikt om diffusie door fysieke, chemische en biologische wetenschappen; het kan echter niet worden gebruikt om de diffusie van deeltjes in meer actieve systemen te beschrijven die we vaak in het echte leven waarnemen."

Door expliciet de verstrooiingsdynamiek tussen het passieve deeltje en actieve zwemmers in de vloeistof op te lossen, konden de onderzoekers een effectief model afleiden voor de beweging van deeltjes in 'actieve' vloeistoffen, die goed is voor alle experimentele waarnemingen.

Uit hun uitgebreide berekening blijkt dat de effectieve deeltjesdynamiek een zogenaamde 'Lévy-vlucht' volgt, die veel wordt gebruikt om 'extreme' bewegingen in complexe systemen te beschrijven die verre van typisch gedrag zijn, zoals in ecologische systemen of aardbevingsdynamiek.

Dr. Kiyoshi Kanazawa van de Universiteit van Tsukuba, en eerste auteur van de studie, zei:"Tot nu toe is er geen verklaring geweest hoe Lévy-vluchten daadwerkelijk kunnen plaatsvinden op basis van microscopische interacties die voldoen aan fysieke wetten. Onze resultaten laten zien dat Lévy-vluchten kunnen ontstaan ​​​​als gevolg van de hydrodynamische interacties tussen de actieve zwemmers en het passieve deeltje, dat is heel verrassend."

Het team ontdekte dat de dichtheid van actieve zwemmers ook van invloed was op de duur van het Lévy-vluchtregime, wat suggereert dat zwemmende micro-organismen de Lévy-vluchten van voedingsstoffen zouden kunnen exploiteren om de beste foerageerstrategieën voor verschillende omgevingen te bepalen.

Dr. Baule voegde toe:"Onze resultaten suggereren dat optimale foerageerstrategieën afhankelijk kunnen zijn van de dichtheid van deeltjes in hun omgeving. bij hogere dichtheden zou actief zoeken door de verzamelaar een meer succesvolle aanpak kunnen zijn, terwijl het bij lagere dichtheden voordelig kan zijn voor de verzamelaar om gewoon te wachten tot een voedingsstof in de buurt komt terwijl deze door de andere zwemmers wordt gesleept en grotere gebieden van de ruimte verkent.

"Echter, dit werk werpt niet alleen licht op hoe zwemmende micro-organismen interageren met passieve deeltjes, zoals voedingsstoffen of afgebroken plastic, maar onthult meer in het algemeen hoe willekeur ontstaat in een actieve niet-evenwichtsomgeving. Deze bevinding zou ons kunnen helpen het gedrag van andere systemen te begrijpen die uit evenwicht worden gedreven, die niet alleen in de natuurkunde en biologie voorkomen, maar bijvoorbeeld ook op financiële markten."

De Engelse botanicus Robert Brown beschreef voor het eerst de Brownse beweging in 1827, toen hij de willekeurige bewegingen van stuifmeelkorrels observeerde wanneer ze aan water werden toegevoegd.

Decennia later ontwikkelde de beroemde natuurkundige Albert Einstein het wiskundige model om dit gedrag te verklaren, en bewees daarmee het bestaan ​​van atomen, de basis leggen voor wijdverbreide toepassingen in de wetenschap en daarbuiten.