Bahnbrechende mathematische Formel ebnet den Weg für aufregende Fortschritte in der Gesundheits-, Energie- und Lebensmittelindustrie

Es wurde eine bahnbrechende mathematische Gleichung entdeckt, die medizinische Verfahren, die Erdgasförderung und die Herstellung von Kunststoffverpackungen in Zukunft verändern könnte.

Die neue Gleichung, die von Wissenschaftlern der University of Bristol entwickelt wurde, zeigt, dass die Diffusionsbewegung durch durchlässiges Material zum ersten Mal genau modelliert werden kann. Es kommt ein Jahrhundert, nachdem die weltweit führenden Physiker Albert Einstein und Marian von Smoluchowski die erste Diffusionsgleichung abgeleitet haben, und markiert einen wichtigen Fortschritt bei der Darstellung von Bewegung für eine Vielzahl von Einheiten, von mikroskopischen Partikeln und natürlichen Organismen bis hin zu künstlichen Geräten.

Bisher mussten sich Wissenschaftler, die die Partikelbewegung durch poröse Materialien wie biologische Gewebe, Polymere, verschiedene Gesteine ​​und Schwämme untersuchen, auf Annäherungen oder unvollständige Perspektiven verlassen.

Die Ergebnisse, veröffentlicht heute in der Zeitschrift Physikalische Überprüfungsforschungbieten eine neuartige Technik, die aufregende Möglichkeiten in einer Vielzahl von Bereichen bietet, darunter Gesundheit, Energie und die Lebensmittelindustrie.

Hauptautor Toby Kay, der einen Ph.D. in Ingenieurmathematik, sagte: „Dies ist ein grundlegender Fortschritt seit den Studien von Einstein und Smoluchowski zur Diffusion. Es revolutioniert die Modellierung von Diffusionseinheiten durch komplexe Medien aller Größenordnungen, von zellulären Komponenten und geologischen Verbindungen bis hin zu Umwelthabitaten.

„Bisher waren mathematische Versuche, Bewegungen durch Umgebungen darzustellen, die mit Objekten verstreut sind, die die Bewegung behindern, bekannt als durchlässige Barrieren, begrenzt. Durch die Lösung dieses Problems ebnen wir den Weg für aufregende Fortschritte in vielen verschiedenen Sektoren, da durchlässige Barrieren routinemäßig angetroffen werden Tiere, zelluläre Organismen und Menschen.“

Kreativität in der Mathematik nimmt verschiedene Formen an und eine davon ist die Verbindung zwischen verschiedenen Beschreibungsebenen eines Phänomens. In diesem Fall war es möglich, durch mikroskopische Darstellung zufälliger Bewegungen und anschließendes Herauszoomen, um den Prozess makroskopisch zu beschreiben, die neue Gleichung zu finden.

Weitere Forschung ist erforderlich, um dieses mathematische Werkzeug auf experimentelle Anwendungen anzuwenden, die Produkte und Dienstleistungen verbessern könnten. Beispielsweise wird die Möglichkeit, die Diffusion von Wassermolekülen durch biologisches Gewebe genau zu modellieren, die Interpretation von diffusionsgewichteten MRI-Messwerten (Magnetic Resonance Imaging) vorantreiben. Es könnte auch eine genauere Darstellung der Luftverteilung durch Lebensmittelverpackungsmaterialien bieten und dabei helfen, die Haltbarkeit und das Kontaminationsrisiko zu bestimmen. Darüber hinaus könnte die Quantifizierung des Verhaltens von Futtertieren, die mit makroskopischen Barrieren wie Zäunen und Straßen interagieren, bessere Vorhersagen über die Folgen des Klimawandels für Naturschutzzwecke liefern.

Durch den Einsatz von Geolokalisierungsgeräten, Mobiltelefonen und anderen Sensoren hat die Tracking-Revolution in den letzten 20 Jahren Bewegungsdaten von immer größerer Quantität und Qualität generiert. Dies hat den Bedarf an ausgefeilteren Modellierungswerkzeugen verdeutlicht, um die Bewegung weitreichender Einheiten in ihrer Umgebung darzustellen, von natürlichen Organismen bis hin zu künstlichen Geräten.

Der leitende Autor Dr. Luca Giuggioli, außerordentlicher Professor für Komplexitätswissenschaften an der Universität Bristol, sagte: „Diese neue grundlegende Gleichung ist ein weiteres Beispiel dafür, wie wichtig es ist, Werkzeuge und Techniken zu konstruieren, um die Diffusion darzustellen, wenn der Raum heterogen ist, d Umgebung ändert sich von Ort zu Ort.

„Es baut auf einer weiteren lang erwarteten Auflösung eines mathematischen Rätsels im Jahr 2020 auf, um zufällige Bewegungen auf engstem Raum zu beschreiben. Diese neueste Entdeckung ist ein weiterer bedeutender Schritt nach vorne, um unser Verständnis von Bewegung in all ihren Formen und Gestalten zu verbessern – zusammenfassend als Mathematik von bezeichnet Bewegung – die viele aufregende Anwendungsmöglichkeiten bietet.“