Gerakan difusi melalui bahan permeabel dapat dimodelkan

Persamaan matematika yang inovatif telah ditemukan, yang dapat mengubah prosedur medis, ekstraksi gas alam, dan produksi kemasan plastik di masa depan.

Persamaan baru, yang dikembangkan oleh para ilmuwan di University of Bristol, menunjukkan bahwa gerakan difusi melalui bahan permeabel dapat dimodelkan secara tepat untuk pertama kalinya. Itu terjadi satu abad setelah fisikawan terkemuka dunia Albert Einstein dan Marian von Smoluchowski menurunkan persamaan difusi pertama dan menandai kemajuan penting dalam merepresentasikan gerakan untuk berbagai entitas dari partikel mikroskopis dan organisme alami hingga perangkat buatan manusia.

Sampai saat ini, para ilmuwan yang melihat gerakan partikel melalui bahan berpori seperti jaringan biologis, polimer, berbagai batuan dan spons, harus mengandalkan pendekatan atau perspektif yang tidak lengkap.

Temuannya, diterbitkan hari ini di jurnal Penelitian Tinjauan Fisikmemberikan teknik baru yang menghadirkan peluang menarik dalam beragam pengaturan termasuk kesehatan, energi, dan industri makanan.

Penulis utama Toby Kay, yang menyelesaikan gelar PhD di bidang Matematika Teknik, mengatakan: “Ini menandai langkah maju yang mendasar sejak studi Einstein dan Smoluchowski tentang difusi. Ini merevolusi pemodelan entitas yang menyebar melalui media kompleks dari semua skala, dari komponen seluler dan geologis. senyawa ke habitat lingkungan.

“Sebelumnya, upaya matematis untuk mewakili gerakan melalui lingkungan yang tersebar dengan objek yang menghalangi gerakan, yang dikenal sebagai penghalang permeabel, telah dibatasi. Dengan memecahkan masalah ini, kami membuka jalan bagi kemajuan menarik di banyak sektor yang berbeda karena hambatan permeabel secara rutin dihadapi oleh hewan, organisme seluler, dan manusia.”

Kreativitas dalam matematika mengambil bentuk yang berbeda dan salah satunya adalah hubungan antara berbagai tingkat deskripsi fenomena. Dalam hal ini, dengan merepresentasikan gerakan acak secara mikroskopis dan kemudian memperkecil untuk menggambarkan proses secara makroskopis, persamaan baru dapat ditemukan.

Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk menerapkan alat matematika ini ke aplikasi eksperimental, yang dapat meningkatkan produk dan layanan. Misalnya, mampu memodelkan secara akurat difusi molekul air melalui jaringan biologis akan memajukan interpretasi pembacaan MRI (Magnetic Resonance Imaging) berbobot difusi. Ini juga dapat menawarkan representasi penyebaran udara yang lebih akurat melalui bahan kemasan makanan, membantu menentukan umur simpan dan risiko kontaminasi. Selain itu, mengukur perilaku hewan mencari makan yang berinteraksi dengan penghalang makroskopik, seperti pagar dan jalan, dapat memberikan prediksi yang lebih baik tentang konsekuensi perubahan iklim untuk tujuan konservasi.

Penggunaan geolocator, ponsel, dan sensor lainnya telah melihat revolusi pelacakan menghasilkan data pergerakan dengan kuantitas dan kualitas yang terus meningkat selama 20 tahun terakhir. Ini telah menyoroti kebutuhan akan alat pemodelan yang lebih canggih untuk mewakili pergerakan entitas yang luas di lingkungan mereka, dari organisme alami hingga perangkat buatan manusia.

Penulis senior Dr Luca Giuggioli, Associate Professor dalam Ilmu Kompleksitas di University of Bristol, mengatakan: “Persamaan fundamental baru ini adalah contoh lain dari pentingnya membangun alat dan teknik untuk mewakili difusi ketika ruang heterogen, yaitu ketika lingkungan yang mendasarinya berubah. dari lokasi ke lokasi.

“Ini dibangun di atas resolusi lain yang telah lama ditunggu-tunggu pada tahun 2020 dari teka-teki matematika untuk menggambarkan gerakan acak di ruang terbatas. Penemuan terbaru ini merupakan langkah maju yang signifikan lebih lanjut dalam meningkatkan pemahaman kita tentang gerak dalam segala bentuk dan bentuknya – secara kolektif disebut matematika gerakan — yang memiliki banyak aplikasi potensial yang menarik.”

Sumber Cerita:

Materi disediakan oleh Universitas Bristol. Catatan: Konten dapat diedit untuk gaya dan panjangnya.

Komputasi Seluler