För ungefär ett decennium sedan, upptäckten av Fickian yet non-Gaussian Diffusion (FnGD) i mjuka och biologiska material bröt upp den berömda Einsteins bild av Brownsk rörelse. Hittills, Ett sådant spännande fenomen är fortfarande oförklarat på grund av de stora experimentella utmaningarna som den komplexa och heterogena naturen hos de underliggande materialen utgör. För att övervinna dessa svårigheter, Forskare vid universitetet i Neapel Federico II (Italien) har nu utnyttjat ljus istället för komplex materia för att skapa en heterogen miljö för partiklar som diffunderar i vatten. Arbetet, nu publicerad i Fysiska granskningsbrev , härrör från ett samarbete mellan gruppen för Statistical Mechanics of Soft Materials vid Institutionen för kemi, Material- och produktionsteknik och laboratoriet för laserspektroskopi och optisk manipulation vid Institutionen för fysik.

I detta experiment, en laserstråle passerar genom en "Spatial Light Modulator" med flytande kristaller som ger upphov till ett heterogent ljusmönster. Ljusmönstret projiceras sedan över ett system av mikronstora glaspärlor i vatten, verkar på partiklarna som ett kraftfält (optiska krafter). "Spatial Light Modulator" gör det möjligt att variera mönsteregenskaperna med hög precision och digital kontroll. På grund av samspelet mellan optiska krafter och termiska kollisioner med vattenmolekyler, pärlorna utforskar ljusmönstret som om de rörde sig över en grov yta. I själva verket ljuset kan efterlikna den heterogena strukturen hos mjuka material men med mycket högre kontroll och reproducerbarhet jämfört med "riktiga" material. Forskargruppen visar att denna experimentella uppsättning verkligen kan återskapa fenomenologin av FnGD över ett aldrig tidigare skådat tidsskala och förskjutningssannolikhet, avslöjar också nya drag av detta fenomen.

En minneseffekt av tidigare subdiffusion

Den rastlösa dansen av mikroskopiska partiklar på grund av termiska kollisioner med miljöns molekyler har fascinerat forskare sedan upptäckten av Brownsk rörelse, ansvarar för spridningen, den viktigaste och mest utbredda formen av transportprocess. Enligt Einsteins arbete med Brownsk standardrörelse, stegen i denna dans bildar en slumpmässig promenad, vilket innebär att partikelmedelkvadratförskjutningen (MSD) ökar linjärt i tiden (fickian) och förskjutningsfördelningen är en Gaussisk, som bekräftats av en mängd olika experiment. Omvänt, korrelerade promenader (t.ex. består av steg fram och tillbaka) ger upphov till onormal diffusion, befunnits vara icke-fikska och icke-gaussiska. Således, Fickiskt och Gaussiskt beteende ansågs vara intimt relaterat.

2009 vid Granick's Lab (University of Urbana, Illinois), banbrytande experiment på nanometriska pärlor i komplexa biologiska vätskor bröt upp ett sådant väletablerat scenario, avslöjar förekomsten av en ny typ av diffusion som skiljer sig från både standard Brownsk rörelse och onormal diffusion, är samtidigt Fickian men icke-Gaussian. Sedan dess, en sådan Fickian men icke-Gaussisk diffusion har hittats i en mängd olika heterogena miljöer, huvudsakligen mjukmaterialsystem.

Den experimentella strategin som nu utarbetats vid University of Neapel avslöjar att FnGD föregås av en tidigare onormal diffusion (subdiffusion), och att de två regimerna är tätt trassliga. Detta leder till att FnGD tolkas som en minneseffekt:Minnet av anomal diffusion överlever längre i förskjutningsfördelningen än i MSD, leder till den tillfälliga samexistensen av ficksiska och icke-Gaussiska beteenden. Raffaele Pastore och kollegor anser att det introducerade modellsystemet öppnar vägen för omfattande och finjusterbara experiment på FnGD. Möjligheten att enkelt visualisera ett stort antal långa banor kommer förhoppningsvis att avslöja egenskaperna hos den Brownska dansen som ligger till grund för den kontraintuitiva samexistensen av Fickian men icke-Gaussisk dynamik.