Banebrytende matematisk formel baner vei for spennende fremskritt innen helse-, energi- og næringsmiddelindustrien

En banebrytende matematisk ligning som kan transformere medisinske prosedyrer, naturgassutvinning og produksjon av plastemballasje i fremtiden har blitt oppdaget.

Den nye ligningen, utviklet av forskere ved University of Bristol, indikerer at diffusiv bevegelse gjennom permeabelt materiale kan modelleres nøyaktig for aller første gang. Det kommer et århundre etter at verdensledende fysikere Albert Einstein og Marian von Smoluchowski utledet den første diffusjonsligningen, og markerer viktig fremgang i å representere bevegelse for et bredt spekter av enheter fra mikroskopiske partikler og naturlige organismer til menneskeskapte enheter.

Til nå har forskere som ser på partikkelbevegelse gjennom porøse materialer, som biologisk vev, polymerer, forskjellige bergarter og svamper, måttet stole på tilnærminger eller ufullstendige perspektiver.

Funnene publisert i dag i tidsskriftet Physical Review Researchgir en ny teknikk som gir spennende muligheter i et mangfold av miljøer, inkludert helse, energi og matindustrien.

Hovedforfatter Toby Kay, som fullfører en Ph.D. i Engineering Mathematics, sa: “Dette markerer et grunnleggende skritt fremover siden Einstein og Smoluchowskis studier på diffusjon. Det revolusjonerer modelleringen av diffuserende enheter gjennom komplekse medier i alle skalaer, fra cellulære komponenter og geologiske forbindelser til miljøhabitater.

“Tidligere har matematiske forsøk på å representere bevegelse gjennom miljøer spredt med gjenstander som hindrer bevegelse, kjent som permeable barrierer, vært begrenset. Ved å løse dette problemet baner vi vei for spennende fremskritt i mange forskjellige sektorer fordi permeable barrierer rutinemessig møtes av dyr, cellulære organismer og mennesker.”

Kreativitet i matematikk tar ulike former og en av disse er sammenhengen mellom ulike nivåer av beskrivelse av et fenomen. I dette tilfellet, ved å representere tilfeldig bevegelse på en mikroskopisk måte og deretter zoome ut for å beskrive prosessen makroskopisk, var det mulig å finne den nye ligningen.

Ytterligere forskning er nødvendig for å bruke dette matematiske verktøyet til eksperimentelle applikasjoner, som kan forbedre produkter og tjenester. For eksempel vil det å kunne modellere nøyaktig diffusjon av vannmolekyler gjennom biologisk vev fremme tolkningen av diffusjonsvektet MR-avlesninger (Magnetic Resonance Imaging). Det kan også tilby mer nøyaktig representasjon av luftspredning gjennom matemballasjematerialer, og bidra til å bestemme holdbarhet og forurensningsrisiko. I tillegg kan det å kvantifisere atferden til dyr som søker mat som samhandler med makroskopiske barrierer, som gjerder og veier, gi bedre spådommer om konsekvensen av klimaendringer for bevaringsformål.

Bruken av geolokatorer, mobiltelefoner og andre sensorer har sett at sporingsrevolusjonen genererer bevegelsesdata av stadig økende kvantitet og kvalitet de siste 20 årene. Dette har fremhevet behovet for mer sofistikerte modelleringsverktøy for å representere bevegelsen av vidtgående enheter i deres miljø, fra naturlige organismer til menneskeskapte enheter.

Seniorforfatter Dr. Luca Giuggioli, førsteamanuensis i kompleksitetsvitenskap ved University of Bristol, sa: “Dette nye grunnleggende ligning er et annet eksempel på viktigheten av å konstruere verktøy og teknikker for å representere diffusjon når rommet er heterogent; det vil si når det underliggende miljøet endres fra sted til sted.

“Den bygger på en annen etterlengtet oppløsning i 2020 av en matematisk gåte for å beskrive tilfeldig bevegelse i begrenset rom. Denne siste oppdagelsen er et ytterligere viktig skritt fremover i å forbedre vår forståelse av bevegelse i alle dens former og former – samlet kalt matematikken til bevegelse – som har mange spennende potensielle bruksområder.”

---

---