Броунівський рух описує випадковий рух частинок в рідинах, однак ця модель працює тільки тоді, коли рідина статична або знаходиться в рівновазі.
У реальних умовах рідини часто містять частинки, які рухаються самі по собі, наприклад крихітні плаваючі мікроорганізми. Ці самохідні плавці можуть викликати рух або перемішування рідини, що виводить її з рівноваги.
Експерименти показали, що нерухомі «пасивні» частинки можуть проявляти дивні петлеві рухи при взаємодії з «активними» рідинами, що містять плавців. Такі рухи не узгоджуються зі звичайною поведінкою частинок, описуваним броунівським рухом, і досі вчені намагалися пояснити, як такі великомасштабні хаотичні рухи виникають в результаті мікроскопічних взаємодій між окремими частинками.
Тепер дослідники з Лондонського університету королеви Марії, Університету Цукуба, Федеральної політехнічної школи Лозанни та Імперського коледжу Лондона представили нову теорію, що пояснює спостережувані рухи частинок у цих динамічних середовищах.
Вони припускають, що нова модель може також допомогти зробити передбачення про реальну поведінку біологічних систем, таких як моделі добування їжі плаваючими водоростями або бактеріями.
"Броунівський рух широко використовується для опису дифузії у всіх фізичних, хімічних і біологічних науках; однак воно не може бути використане для опису дифузії частинок в більш активних системах, які ми часто спостерігаємо в реальному житті. - кажуть вчені.
Вирішивши динаміку розсіювання між пасивними частинками і активними плавцями в рідині, дослідники змогли отримати ефективну модель руху частинок в «активних» рідинах, яка враховує всі експериментальні спостереження.
Їх великі розрахунки показують, що ефективна динаміка частинок слідує за так званим «польотом Леві», який широко використовується для опису «екстремальних» рухів у складних системах, які дуже далекі від типової поведінки, наприклад в екологічних системах або динаміці землетрусів.
Доктор Кіесі Канадзава з Університету Цукуба, перший автор дослідження, сказав: "Досі не було пояснення, як польоти Леві можуть насправді відбуватися на основі мікроскопічних взаємодій, які підпорядковуються фізичним законам. Наші результати показують, що польоти Леві можуть виникати як наслідок гідродинамічних взаємодій між активними плавцями і пасивними частинками, що дуже дивно.
Вчені виявили, що щільність активних плавців також впливає на тривалість режиму польоту Леві, припускаючи, що плаваючі мікроорганізми можуть використовувати польоти поживних речовин Леві для визначення найкращих стратегій добування корму для різних середовищ.
"Наші результати показують, що оптимальні стратегії добування їжі можуть залежати від щільності частинок у навколишньому середовищі. Наприклад, при більш високих щільностях активні пошуки можуть бути більш успішним підходом, тоді як при більш низьких щільностях може бути вигідно просто чекати, поки поживна речовина наблизиться, оскільки її тягнуть інші плавці і досліджують більш великі області простору ".
"Однак наша робота не тільки проливає світло на те, як плаваючі мікроорганізми взаємодіють з пасивними частинками, такими як поживні речовини або деградований пластик, але і розкриває в більш загальному плані, як випадковість виникає в активному нерівновісному середовищі. Це відкриття може допомогти нам зрозуміти поведінку інших систем, які виводяться з рівноваги, що відбувається не тільки у фізиці та біології, але і на фінансових ринках, наприклад.
Англійський ботанік Роберт Браун вперше описав броунівський рух у 1827 році, коли він спостерігав випадкові рухи пилкових зерен при додаванні їх у воду.
Десятиріччя потому знаменитий фізик Альберт Ейнштейн розробив математичну модель, що пояснює цю поведінку, і тим самим довів існування атомів, заклавши основи для широкого застосування її в науці і за її межами.