Home | Kontakt | Impressum | ÜbersichtDeutschEnglish
NIM nanosystems initiative munich
Meldung

Freitag, 27. Oktober 2017

Diffusion 2.0

Biophysik

Kanalmodell, Bild: P. Hänggi (NIM)

Kanalmodell, Bild: P. Hänggi (NIM)

Der Transport von Partikeln durch Ionenkanäle und Nanoporen funktioniert anders als bisher angenommen. Ein Team um den NIM-Wissenschaftler Prof. Peter Hänggi belegt diesen wissenschaftlichen Durchbruch mit Simulationen und Experimenten zur Teilchendiffusion in verschiedenen Kanalmodellen.


Diffusion ist allgegenwärtig und ohne sie wären viele alltägliche Prozesse unmöglich. So spielt die Diffusion eine zentrale Rolle für den Transport von sehr kleinen Partikeln. Einstein, Sutherland und Smoluchowski hatten mit der Erforschung der Brown´schen Molekularbewegungen den Grundstein für alle weitere Diffusions-Forschung gelegt, auch für die von Prof. Öffnet externen Link in neuem FensterPeter Hänggi an der Universität Augsburg.


Der Weg durch einen Kanal
Für Wissenschaftler verschiedenster Felder von Physik und Chemie bis hin zur Biologie ist vor allem der Transport durch natürliche und künstliche Ionenkanäle und Nanoporen interessant. All solchen Systemen ist gemein, dass sie begrenzt sind, und eben diese Grenzflächen sind nie ganz glatt und beeinflussen so auf molekularer Ebene den zick-zack Weg der Teilchen, die zufällige Brown´sche Zitterbewegung. Auf der einen Seite sind da direkte Wechselwirkungen der Mikropartikel mit der Umgrenzung und der umgebenden Flüssigkeit, seien sie nun anziehender oder abstoßender Natur, die die Transportgeschwindigkeit verändern. Dem gegenüber steht der sehr begrenzte Platz für Bewegungen entlang der Flussrichtung, der den Weg und die Bewegung vorgibt und damit entropische Effekte auslöst.

Hydrodynamische Effekte waren bis jetzt sehr schwer, oder beinahe unmöglich quantitativ zu beschreiben, da die allgegenwärtigen anziehenden und abstoßenden Wechselwirkungen bei unebenen Oberflächen extrem schwierig zu modellieren sind. Nur die entropischen Effekte konnten in analytische Berechnungen mit einbezogen werden, auch wenn sie allein nicht das volle System widerspiegelten.


Zeit und Ort sind entscheidend
Einer Forschergruppe rund um Prof. Hänggi gelang es nun erstmals, in theoretischen Modellen und praktischen Versuchen die hydrodynamischen Effekte zu betrachten und zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass bisherige Modelle neu überdacht werden müssen. Ihr experimenteller Aufbau zur Bestimmung der mittleren Diffusionsgeschwindigkeit bestand aus kugelförmigen Partikeln, die in Wasser durch einen welligen Kanal diffundierten.

Bahnbrechende neue Erkenntnisse aus den gemessenen Daten sind zum einen die Bestätigung der entropischen Theorie in Kanälen, deren Durchmesser deutlich größer ist als der der Partikel, zum anderen aber auch die Widerlegung der bisherigen Simulationen für enge Kanäle. Denn hier hat der hydrodynamische Effekt entscheidenden Einfluss auf die Transportgeschwindigkeit von Teilchen. Es kann zu einer mittleren Diffusionszeit kommen, die etwa 40 % länger ist, als auf Grundlage der entropischen Theorie vorhergesagt. Wenn man allerdings den Stokes-Einstein´schen Diffusionskoeffizienten ersetzt durch einen experimentell bestimmten, nun aber kompliziert ortsabhängigen Diffusionskoeffizienten, dann lässt sich die entropische Theorie erstaunlicherweise mit guter Übereinstimmung mit diesen experimentellen Daten auf enge Kanäle anwenden, denn die komplexen hydrodynamischen Wechselwirkungen der unebenen Oberfläche werden nun berücksichtigt.


Publikation:
Hydrodynamic and entropic effects on colloidal diffusion in corrugated channels.
Yang X, Liu C, Li Y, Marchesoni F, Hänggi P, Zhang HP.
PNAS 2017 Sep 5;114(36):9564-9569. Öffnet externen Link in neuem FensterDOI: 10.1073/pnas.1707815114


Kontakt:
Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Peter Hänggi
Institut für Physik
Universität Augsburg
Universitätsstr. 1
86135 Augsburg

Tel.: +49 (0)821-598-3250

E-mail: Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-MailHanggi(at)physik.uni-augsburg.de

Web: Öffnet externen Link in neuem Fensterwww.physik.uni-augsburg.de/theo1/hanggi/

PRESSE-KONTAKT

Über NIM:

Dr. Peter Sonntag
Geschäftsführer

Tel.: +49 (89) 2180 6794

Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailpeter.sonntag(at)lmu.de 

 

Über Wissenschaft:

Isabella Almstätter
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Tel: +49 (89) 2180 5091

Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailisabella.almstaetter(at)physik.uni-muenchen.de

 

 

drucken nach oben