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  • Una complessa interazione tra trasporto e dispersione attraverso nanopori oscillanti

    Fluttuazioni dell'interfaccia in diversi modelli viventi e non viventi considerati nello studio:a) sovrapposizione di una cella unitaria di struttura metallo-organica di zinco imidazolato osservata in due punti temporali (riquadro della vista ingrandita), b) increspature termiche della superficie sul grafene sull'acqua, c) immagine in campo chiaro di un individuo Physarum polycephalum (muffa melmosa) per dimostrare contrazioni vascolari periodiche attive da sinistra a destra, col tempo, d) rappresentazione schematica di un modello teorico per valutare la diffusione delle particelle, il trasporto è modificato per avvezione, e) rappresentazione schematica di una geometria bidimensionale utilizzata nel testo principale per spiegare la teoria. Credito: Fisica della natura , doi:https://doi.org/10.1038/s41567-018-0239-0.

    Il fisico Richard Feynman ha sottolineato l'importanza delle fluttuazioni nella materia vivente quando ha affermato, "Tutto ciò che fanno gli esseri viventi può essere compreso in termini di oscillazioni e oscillazioni degli atomi". Ciò vale per il trasporto ampiamente studiato guidato dalle fluttuazioni nei nanopori biologici e per osservazioni simili nelle fasi fluide non viventi, dove le fluttuazioni idrodinamiche di massa influenzano notevolmente le dinamiche su scala nanometrica. Le simulazioni numeriche hanno anche evidenziato l'impatto dei modi fononici nei nanotubi di carbonio che trasportano particelle confinate al loro interno, e studi su scala più ampia hanno studiato le onde acustiche di superficie microfluidica che manipolano i fluidi su scala micro. Sebbene queste osservazioni mostrino l'impatto quantitativo dell'agitazione superficiale sulle proprietà di trasporto su scale di lunghezza considerevoli, manca una teoria generale che preveda la dipendenza delle proprietà di trasporto dalle fluttuazioni della superficie. Tale potenziale per controllare attivamente o passivamente il trasporto molecolare attraverso i nanopori avrà un impatto sulle applicazioni di biorilevamento.

    Ad esempio, attualmente, è sorprendentemente difficile rispondere se le fluttuazioni della superficie dei pori aumentano o diminuiscono il trasporto diffusivo. Mentre ci si aspetta che le fluttuazioni superficiali migliorino le proprietà di diffusione attraverso flussi idrodinamici indotti, rigonfiamenti geometrici possono intrappolare particelle per rallentamento entropico. Di conseguenza, resta aperta la situazione più generale dei trasporti a geometria variabile nel tempo. In risposta, scrivendo in Fisica della natura, Marbach et al. hanno ora stabilito una relazione generale tra il trasporto diffusivo e lo spettro dinamico delle fluttuazioni di superficie. Il quadro si applica ai casi in cui le fluttuazioni strutturali del poro di confinamento sono indotte da rumore termico, e alle fluttuazioni attive di non equilibrio indotte da stimoli esterni. La teoria è stata applicata per comprendere diverse situazioni rilevanti per il trasporto dei nanopori e per configurazioni su larga scala come le contrazioni attive nelle specie fungine che influenzano il trasporto dei nutrienti.

    I risultati hanno dimostrato una complessa interazione tra trasporto e movimento superficiale. La teoria era in pieno accordo con le simulazioni di dinamica molecolare e con le osservazioni esistenti in letteratura. I risultati hanno illuminato l'impatto dell'agitazione dei pori in un'ampia gamma di porine artificiali e biologiche e su scala più ampia nel movimento vascolare dei funghi, contrazioni intestinali e onde di superficie microfluidica, aprendo la possibilità di sintonizzare attivamente il trasporto attraverso le membrane tramite stimoli esterni. Tali fenomeni hanno potenziali applicazioni per il pompaggio controllato su nanoscala, osmosi e ultrafiltrazione dinamica attraverso le membrane.

    La teoria è iniziata analizzando la diffusione di una particella confinata tra due superfici fluttuanti in una semplice geometria bidimensionale, facilmente estendibile a tre dimensioni. All'inizio, la teoria generale applicata a diversi scenari, comprese le fluttuazioni originate dal rumore termico e le fluttuazioni attive (di non equilibrio) guidate da stimoli esterni. Nelle equazioni successive, la costante di diffusione può essere rinormalizzata per essere positiva o negativa, poiché oscillare nel sistema potrebbe accelerare o rallentare le cose. Ulteriori scenari sono stati considerati per situazioni in cui la struttura dei pori ha subito fluttuazioni di non equilibrio dovute a uno stimolo esterno aggiungendo una forza a un'equazione, portando a un trasporto fuori equilibrio all'interno dei pori.

    Trasporto migliorato o ridotto sotto forma di poro dimenando rispetto al numero adimensionale simile a Péclet per vari modelli di trasportatori di fluidi, descritto nello studio. La diffusione effettiva nei pori termicamente o attivamente fluttuanti è stata rinormalizzata tramite lo spettro della dinamica termica o tramite la dinamica attiva come descritto nello studio. Credito: Fisica della natura , doi:https://doi.org/10.1038/s41567-018-0239-0.

    Come risultato del quadro teorico, i fisici sono stati in grado di quantificare l'impatto delle fluttuazioni superficiali sul trasporto nei sistemi modello considerati nello studio. Tipicamente per un alto numero di Péclet (un indicatore adimensionale di diffusione o avvezione in un sistema) ci si aspetta che il trasporto aumenti sotto oscillazioni strutturali attraverso una distribuzione dominata dall'avvezione, come osservato.

    Derivazione dell'equazione di avvezione-diffusione ridotta tra un substrato piatto e una superficie superiore fluttuante. Lo schema mostra un'interfaccia fluttuante [z=h(x, si, t)] da un'altezza di riferimento H. L'interfaccia costituisce una membrana o è uno strato libero. Credito: Fisica della natura , doi:https://doi.org/10.1038/s41567-018-0239-0.

    Il trasporto di molecole attraverso le membrane biologiche è un processo strettamente regolato, assolutamente vitale per gli organismi viventi. Il paradigma può quindi essere utilizzato in un organismo di interesse per comprendere le dinamiche di dispersione dei nutrienti all'interno di reti vascolari contraenti, poiché strategie alternative per la rapida dispersione dei nutrienti sono essenziali per la sopravvivenza. Per esempio, nell'organismo unicellulare di P. polycephalum composto da una rete connessa di vene contenenti citoplasma, i nutrienti possono essere trasportati attraverso il corpo attraverso flussi periodici non stazionari guidati da un'onda peristaltica di contrazioni che attraversa l'organismo.

    Lo studio ha evidenziato che un'ampia varietà di situazioni che coprono una gamma di scale può essere messa in prospettiva nel quadro teorizzato. La teoria consentirà l'identificazione di componenti chiave per progettare canali attivi. I risultati hanno mostrato la possibilità di sintonizzare attivamente la diffusione attraverso i nanopori. Inoltre, l'osmosi può essere modificata nei canali fluttuanti sfruttando le dinamiche fuori equilibrio del poro, per future esplorazioni. Tali capacità di messa a punto avranno applicazioni significative in studi molecolari approfonditi in futuro.

    © 2018 Phys.org




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