Anomální difúze - Anomalous diffusion

Střední čtvercový posun pro různé typy anomální difúze

Anomální difúze je difúze proces s a nelineární vztah mezi střední čtvercový posun (MSD), σr2a čas, na rozdíl od typického difúzního procesu, ve kterém je MSD lineární funkcí času. Fyzicky lze MSD považovat za velikost prostoru, který částice v systému „prozkoumala“. Příkladem anomální difúze v přírodě je subdifúze, která byla pozorována v buněčném jádru, plazmatické membráně a cytoplazmě.[1]

Na rozdíl od typické difúze je anomální difúze popsána mocenským zákonem,[2][3] σr2 ~ Dtα, kde D je difúzní koeficient at je uplynulý čas. V typickém difuzním procesu α = 1. Pokud α> 1, jev se nazývá superdifúze. Super-difúze může být výsledkem aktivní buněčný transport procesy. Pokud α <1, částice podléhá sub-difúze. [4]

Role anomální difúze získala v literatuře pozornost k popisu mnoha fyzikálních scénářů, nejvýrazněji v přeplněných systémech, například difúze proteinů v buňkách nebo difúze porézním médiem. Subdifúze byla navržena jako opatření makromolekulární shlukování v cytoplazma. Bylo zjištěno, že rovnice popisující normální difúzi nejsou schopné charakterizovat některé složité difúzní procesy, například difúzní proces v nehomogenním nebo heterogenním médiu, např. porézní média.Rovnice frakční difúze byly zavedeny za účelem charakterizace anomálních jevů difúze.

Nedávno byla zjištěna anomální difúze v několika systémech včetně ultra studených atomů,[5] skalární míchání v mezihvězdné médium, [6] telomery v jádru buněk,[7] iontové kanály v plazmatické membráně,[8] koloidní částice v cytoplazmě,[9] transport vlhkosti v cementových materiálech,[10] a červová micelární řešení.[11] Anomální difúze byla také nalezena v jiných biologických systémech, včetně intervalů srdečního rytmu a v sekvencích DNA.[12]

Denní výkyvy proměnných klimatu, jako je teplota, lze považovat za kroky náhodného chodce nebo difúze a bylo zjištěno, že jsou anomální.[13]

V roce 1926 pomocí meteorologických balónů Lewis Richardson demonstroval, že atmosféra vykazuje super-difúzi.[14] V omezeném systému je směšovací délka (která určuje rozsah dominantních směšovacích pohybů) dána vztahem Von Kármánova konstanta podle rovnice , kde je délka míchání, je Von Kármánova konstanta a je vzdálenost k nejbližší hranici.[15] Vzhledem k tomu, že rozsah pohybů v atmosféře není omezen, jako je tomu v řekách nebo podpovrchových vrstvách, oblak i nadále zažívá větší směšovací pohyby, jak se zvětšuje jeho velikost, což také zvyšuje jeho difuzivitu, což vede k super-difúzi.[16]

Druhy anomální difúze

Zajímavé ve vědecké komunitě je, když je objeven proces šíření anomálního typu, úkolem je pochopit základní mechanismus, který ho způsobuje. Existuje řada rámců, které vedou k anomální difúzi, které jsou v současné době v módě statistická fyzika společenství. Jedná se o korelace na velké vzdálenosti mezi signály [17] náhodné procházky v nepřetržitém čase (CTRW [18]) a frakční Brownův pohyb (fBm), difúze koloidních částic v bakteriálních suspenzích,[19] a difúze v neuspořádaných médiích.[20][21] Anomální subdifúze v buněčném cytosolu může být artefakt vyplývající z použití polydisperzních sond pro měření.[22]

Hyperbalistická difúze

Jedna důležitá třída anomální difúze se týká případu, kdy se exponent škálování MSD zvyšuje s hodnotou větší než 2. Takový případ se nazývá hyperbalistická difúze a byl pozorován v optických systémech.[23]


Viz také

Reference

  1. ^ Saxton, Michael J. (15. února 2007). „Biologická interpretace přechodné anomální subdifúze. I. Kvalitativní model“. Biofyzikální deník. 92 (4): 1178–1191. Bibcode:2007BpJ .... 92.1178S. doi:10.1529 / biophysj.106.092619. PMC  1783867. PMID  17142285.
  2. ^ Ben-Avraham, Havlin (2000). Difúze a reakce ve fraktálech a poruchových systémech. Cambridge University Press.
  3. ^ Havlin, D. ben-Avraham (2002). „Difúze v neuspořádaných médiích“. Adv. Phys. 51 (1): 187–292. Bibcode:2002 AdPhy..51..187H. doi:10.1080/00018730110116353. S2CID  122502714.
  4. ^ Metzler, Ralf; Jeon, Jae-Hyung; Cherstvy, Andrey G .; Barkai, Eli (2014). „Anomální difúzní modely a jejich vlastnosti: nestacionarita, neergodicita a stárnutí při stém výročí sledování jednotlivých částic“. Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (44): 24128–24164. Bibcode:2014PCCP ... 1624128M. doi:10.1039 / C4CP03465A. ISSN  1463-9076. PMID  25297814.
  5. ^ Sagi, Yoav; Brook, Miri; Almog, Ido; Davidson, Nir (2012). „Pozorování anomální difúze a zlomkové sebepodobnosti v jedné dimenzi“. Dopisy o fyzické kontrole. 108 (9): 093002. arXiv:1109.1503. Bibcode:2012PhRvL.108i3002S. doi:10.1103 / PhysRevLett.108.093002. ISSN  0031-9007. PMID  22463630. S2CID  24674876.
  6. ^ Colbrook, Matthew J .; Ma, Xiangcheng; Hopkins, Philip F .; Squire, Jonathan (2017). "Škálovací zákony pasivní-skalární difúze v mezihvězdném prostředí". Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti. 467 (2): 2421–2429. arXiv:1610.06590. Bibcode:2017MNRAS.467.2421C. doi:10.1093 / mnras / stx261. S2CID  20203131.
  7. ^ Bronshtein, Irena; Izrael, Yonatan; Kepten, Eldad; Mai, Sabina; Shav-Tal, Yaron; Barkai, Eli; Garini, Yuval (2009). „Přechodná anomální difúze telomer v jádře savčích buněk“. Dopisy o fyzické kontrole. 103 (1): 018102. Bibcode:2009PhRvL.103a8102B. doi:10.1103 / PhysRevLett.103.018102. PMID  19659180.
  8. ^ Weigel, Aubrey V .; Simon, Blair; Tamkun, Michael M .; Krapf, Diego (2011-04-19). „Ergodické a neergodické procesy koexistují v plazmatické membráně, jak je pozorováno sledováním jedné molekuly“. Sborník Národní akademie věd. 108 (16): 6438–6443. Bibcode:2011PNAS..108,6438W. doi:10.1073 / pnas.1016325108. ISSN  0027-8424. PMC  3081000. PMID  21464280.
  9. ^ Regner, Benjamin M .; Vučinić, Dejan; Domnisoru, Cristina; Bartol, Thomas M .; Hetzer, Martin W .; Tartakovsky, Daniel M .; Sejnowski, Terrence J. (2013). „Anomální difúze jednotlivých částic v cytoplazmě“. Biofyzikální deník. 104 (8): 1652–1660. Bibcode:2013BpJ ... 104.1652R. doi:10.1016 / j.bpj.2013.01.049. ISSN  0006-3495. PMC  3627875. PMID  23601312.
  10. ^ Zhang, Zhidong; Angst, Ueli (10. 10. 2020). „Přístup dvojí propustnosti ke studiu vlastností přenosu anomální vlhkosti materiálů na bázi cementu“. Transport v porézních médiích. 135 (1): 59–78. doi:10.1007 / s11242-020-01469-r. ISSN  1573-1634. S2CID  221495131.
  11. ^ Jeon, Jae-Hyung; Leijnse, Natascha; Oddershede, Lene B; Metzler, Ralf (2013). „Anomální difúze a relaxace času podle zákona zprůměrovány střední kvadratické posunutí v micelárních řešeních podobných červům“. New Journal of Physics. 15 (4): 045011. Bibcode:2013NJPh ... 15d5011J. doi:10.1088/1367-2630/15/4/045011. ISSN  1367-2630.
  12. ^ Buldyrev, S.V .; Goldberger, A.L .; Havlin, S.; Peng, C. K.; Stanley, H.E. (1994). „Fraktály v biologii a medicíně: Od DNA k úderu srdce“. V Bunde, Armin; Havlin, Shlomo (eds.). Fraktály ve vědě. Springer. str. 49–89. ISBN  978-3-540-56220-7.
  13. ^ Koscielny-Bunde, Eva; Bunde, Armin; Havlin, Shlomo; Roman, H. Eduardo; Goldreich, Yair; Schellnhuber, Hans-Joachim (1998). „Indikace zákona o univerzální perzistenci upravující proměnlivost atmosféry“. Dopisy o fyzické kontrole. 81 (3): 729–732. Bibcode:1998PhRvL..81..729K. doi:10.1103 / PhysRevLett.81.729. ISSN  0031-9007. S2CID  55242320.
  14. ^ Richardson, L. F. (1. dubna 1926). „Atmosférická difúze zobrazená na grafu vzdálenost-soused“. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 110 (756): 709–737. Bibcode:1926RSPSA.110..709R. doi:10.1098 / rspa.1926.0043.
  15. ^ Cushman-Roisin, Benoit (březen 2014). Mechanika environmentálních kapalin. New Hampshire: John Wiley & Sons. str. 145–150. Citováno 28. dubna 2017.
  16. ^ Berkowicz, Ruwim (1984). "Spektrální metody pro modelování rozptylu atmosféry". Mezní vrstva meteorologie. 30 (1): 201–219. Bibcode:1984BoLMe..30..201B. doi:10.1007 / BF00121955. S2CID  121838208.
  17. ^ Buldyrev, S.V .; Goldberger, A.L .; Havlin, S.; Peng, C. K.; Stanley, H.E. (1994). „Fraktály v biologii a medicíně: Od DNA k úderu srdce“. V Bunde, Armin; Havlin, Shlomo (eds.). Fraktály ve vědě. Springer. str. 49–89. ISBN  978-3-540-56220-7.
  18. ^ Masoliver, Jaume; Montero, Miquel; Weiss, George H. (2003). "Model náhodného procházení v nepřetržitém čase pro finanční rozdělení". Fyzický přehled E. 67 (2): 021112. arXiv:cond-mat / 0210513. Bibcode:2003PhRvE..67b1112M. doi:10.1103 / PhysRevE.67.021112. ISSN  1063-651X. PMID  12636658. S2CID  2966272.
  19. ^ Wu, Xiao-Lun (01.01.2000). „Difúze částic v kvazi-dvourozměrné bakteriální lázni“. Dopisy o fyzické kontrole. 84 (13): 3017–3020. Bibcode:2000PhRvL..84,3017W. doi:10.1103 / PhysRevLett.84,3017. PMID  11019000. S2CID  27387531.
  20. ^ Havlin, D. ben-Avraham (2002). „Difúze v neuspořádaných médiích“. Adv. Phys. 51 (1): 187–292. Bibcode:2002 AdPhy..51..187H. doi:10.1080/00018730110116353. S2CID  122502714.
  21. ^ Toivonen, Matti S .; Onelli, Olimpia D .; Jacucci, Gianni; Lovikka, Ville; Rojas, Orlando J .; Ikkala, Olli; Vignolini, Silvia (13. března 2018). „Anomální difúzní jas v membránách z bílých celulózových nanovláken“. Pokročilé materiály. 30 (16): 1704050. doi:10.1002 / adma.201704050. PMID  29532967.
  22. ^ Kalwarczyk, Tomasz; Kwapiszewska, Karina; Szczepanski, Krzysztof; Sozanski, Krzysztof; Szymanski, Jedrzej; Michalská, Bernadeta; Patalas-Krawczyk, Paulina; Duszynski, Jerzy; Holyst, Robert (26.10.2017). „Zdánlivá anomální difúze v cytoplazmě lidských buněk: účinek polydisperzity sond“. The Journal of Physical Chemistry B. 121 (42): 9831–9837. doi:10.1021 / acs.jpcb.7b07158. ISSN  1520-6106. PMID  28956920.
  23. ^ Peccianti, Marco; Morandotti, Roberto (2012). „Mimo balistické“. Fyzika přírody. 8 (12): 858–859. doi:10.1038 / nphys2486.

externí odkazy