Flera nya experiment identifierar ovanliga mönster i partikeldiffusion, vilket antyder en viss underliggande komplexitet i processen som fysiker ännu inte har upptäckt. Genom ny analys publicerad i The European Physical Journal B , Adrian Pacheco-Pozo och Igor Sokolov vid Humboldt University of Berlin visar hur detta beteende uppstår genom starka korrelationer mellan positionerna för diffuserande partiklar som färdas längs liknande banor.
Deras resultat kan hjälpa forskare att skapa bättre modeller av diffusionsprocessen – och i slutändan dra djupare insikter om hur vätskor beter sig.
I många fall sker diffusion genom slumpmässiga fluktuationer i partiklarnas positioner när de knuffas runt av sina grannar. Känd som Brownsk rörelse, kan denna effekt visualiseras matematiskt med normalfördelning:en klockformad kurva som illustrerar sannolikheten att hitta en partikel vid varje given förskjutning från dess startposition. Ändå kan denna fördelning i vissa situationer ha en skarp topp i mitten – allra högst upp på klockkurvan – där sannolikheten för att hitta partiklar är särskilt stor.
Detta beteende har mycket gemensamt med teoretiska modeller som kännetecknas av diffusionshastigheter som varierar mellan lokaliserade regioner – där den, i motsats till förväntningarna att den centrala toppen kommer att jämnas ut över tiden, faktiskt smalnar av och förblir skarp.
I sin studie undersökte Pacheco-Pozo och Sokolov arten av denna ihållande topp genom att överväga matematiken i modeller för 'kontinuerlig slumpmässig gång'. Här väntar en spridande partikel en slumpmässig tid innan den hoppar till en ny position – och ju längre den väntar, desto längre hoppar den.
I det här fallet visade duon att en skarp central topp uppstår genom starka korrelationer mellan förskjutningarna av hoppande partiklar som följer liknande banor, både i tid och rum. Ändå kunde den kontinuerliga slumpmässiga promenadmodellen inte helt matcha formen på den skarpa toppen. Detta tyder på vikten av mer komplexa tidsvarierande samband mellan partiklar, som forskarna nu hoppas kunna undersöka i sina framtida studier.
Mer information: Adrian Pacheco-Pozo et al, Random walks in correlated diffusivity landscapes, The European Physical Journal B (2023). DOI:10.1140/epjb/s10051-023-00621-z
Journalinformation: European Physical Journal B
Tillhandahålls av SciencePOD
