Gränssnittsfluktuationer i olika levande och icke-levande modeller som beaktas i studien:a) överlagring av en enhetscell av zinkimidazolat metallorganiskt ramverk som observerats vid två tidpunkter (förstorad vy infälld), b) termiska ytor som krusar på grafen över vatten, c) ljus fältbild av en individuell Physarum polycephalum (slemform) för att visa aktiva periodiska kärlkontraktioner från vänster till höger, med tid, d) schematisk framställning av en teoretisk modell för bedömning av partikeldiffusion, transporten modifieras via advection, e) schematisk framställning av en tvådimensionell geometri som används i huvudtexten för att förklara teorin. Kreditera: Naturfysik , doi:https://doi.org/10.1038/s41567-018-0239-0.
Fysikern Richard Feynman betonade vikten av fluktuationer i levande materia när han sade:"Allt som levande saker gör kan förstås i termer av jiggling och wiggling av atomer." Detta gäller för den allmänt undersökta transporten som drivs av fluktuationer i biologiska nanoporer och för liknande observationer i icke-levande vätskefaser, där hydrodynamiska bulkfluktuationer dramatiskt påverkar nanoskala dynamik. Numeriska simuleringar har också belyst effekten av fononlägen i kolnanorör som transporterar begränsade partiklar inom dem, och studier på större skalor har undersökt mikrofluidiska yta akustiska vågor som manipulerar vätskor i mikroskala. Även om dessa observationer visar den kvantitativa effekten av ytomrörning på transportegenskaper som sträcker sig över betydande längdskalor, en allmän teori som förutsäger transportegenskapernas beroende av ytfluktuationer saknas. Sådan potential att aktivt eller passivt kontrollera molekylär transport genom nanoporer kommer att påverka biosenseringstillämpningar.
Till exempel, för närvarande, det är förvånansvärt svårt att svara på om porytans fluktuationer förbättrade eller minskade diffusiv transport. Även om ytfluktuationer förväntas förbättra diffusionsegenskaperna genom inducerade hydrodynamiska flöden, geometriska utbuktningar kan fånga partiklar för entropisk sakta. Som ett resultat, den mer allmänna transportsituationen med tidsmässigt varierande geometri förblir öppen. Som svar, skriver in Naturfysik, Marbach et al. har nu etablerat ett allmänt samband mellan diffusiv transport och det dynamiska spektrumet av ytfluktuationer. Ramverket gäller för fall där strukturella fluktuationer i den begränsande poren orsakas av termiskt brus, och till aktiva icke-jämviktsfluktuationer inducerade av yttre stimuli. Teorin tillämpades för att förstå flera situationer som är relevanta för nanoportransport och för större konfigurationer som aktiva sammandragningar hos svamparter som påverkar näringstransport.
Fynden visade ett komplext samspel mellan transport och ytvridning. Teorin var helt överens med simuleringar av molekylär dynamik och med befintliga observationer från litteraturen. Resultaten belyste effekten av porrörning i ett brett spektrum av konstgjorda och biologiska poriner och vid större skalor i vaskulär rörelse av svampar, tarmkontraktioner och mikrofluidiska ytvågor, öppnar möjligheten att aktivt ställa in transporten över membran via yttre stimuli. Sådana fenomen har potentiella tillämpningar för kontrollerad nanoskala pumpning, osmos och dynamisk ultrafiltrering över membran.
Teorin började med att analysera diffusion av en partikel som är begränsad mellan två fluktuerande ytor i en enkel tvådimensionell geometri, kan enkelt förlängas till tre dimensioner. I början, den allmänna teorin tillämpas på flera scenarier, inklusive fluktuationer som härrör från termiskt brus och aktiva (icke-jämvikts) fluktuationer som drivs av yttre stimuli. I efterföljande ekvationer, diffusionskonstanten kan renormaliseras till antingen positiv eller negativ, eftersom jiggling i systemet antingen kan påskynda eller sakta ner saker. Ytterligare scenarier övervägdes för situationer där porstrukturen genomgick icke-jämviktsfluktuationer på grund av en yttre stimulans genom att lägga till en kraft till en ekvation, vilket leder till transport utanför jämvikten inom porerna.
Förbättrad eller minskad transport under porformande vickning kontra det dimensionslösa Péclet-liknande numret för olika vätsketransportmodeller, beskrivs i studien. Effektiv diffusion i termiskt eller aktivt fluktuerande porer re-normaliserades via termiskt dynamiskt spektrum eller via aktiv dynamik enligt beskrivningen i studien. Kreditera: Naturfysik , doi:https://doi.org/10.1038/s41567-018-0239-0.
Som ett resultat av det teoretiska ramverket, fysikerna kunde kvantifiera påverkan av ytfluktuationer på transport i de modellsystem som undersöktes i studien. Vanligtvis för ett högt Péclet-liknande antal (en måttlös indikator på diffusion eller förflyttning i ett system) förväntas transporterna öka under strukturell jiggling genom advektionsdominerad distribution, som observerats.
Avleda den reducerade advection-diffusion ekvationen mellan ett plant underlag och fluktuerande övre yta. Schematisk visar ett fluktuerande gränssnitt [z =h (x, y, t)] från en referenshöjd H. Gränssnittet utgör antingen ett membran eller är ett fritt lager. Kreditera: Naturfysik , doi:https://doi.org/10.1038/s41567-018-0239-0.
Transport av molekyler genom biologiska membran är en tätt reglerad process, helt avgörande för levande organismer. Paradigmet kan därför användas i en organism av intresse för att förstå dynamiken i näringsspridning inom sammandragande kärlnät, eftersom alternativa strategier för snabb näringsspridning är avgörande för överlevnad. Till exempel, i den encelliga P. polycephalum -organismen som består av ett anslutet nätverk av vener innehållande cytoplasma, näringsämnen kan levereras över kroppen genom icke-stationära periodiska pendelflöden som drivs av en peristaltisk våg av sammandragningar som spänner över organismen.
Studien belyste att en mängd olika situationer som täcker en rad skalor kan sättas i perspektiv under teoretiskt ramverk. Teorin tillåter identifiering av nyckelkomponenter för att designa aktiva kanaler. Resultaten visade möjligheten att aktivt ställa in diffusion över nanoporer. Dessutom, osmos kan modifieras i fluktuerande kanaler genom att utnyttja porerna utanför jämviktsdynamiken, för framtida utforskning. Sådana finjusteringsmöjligheter kommer att ha betydande tillämpningar i fördjupade molekylära studier i framtiden.
© 2018 Phys.org
