Cerca de uma década atrás, a descoberta da difusão fickiana, porém não gaussiana (FnGD) em materiais moles e biológicos, desfez a célebre imagem de Einstein do movimento browniano. A data, tal fenômeno intrigante ainda não foi explicado devido aos principais desafios experimentais impostos pela natureza complexa e heterogênea dos materiais subjacentes. Para superar essas dificuldades, pesquisadores da Universidade de Nápoles Federico II (Itália) agora exploraram a luz no lugar de matéria complexa para criar um ambiente heterogêneo para a difusão de partículas na água. O trabalho, agora publicado em Cartas de revisão física , decorre de uma colaboração entre o grupo de Mecânica Estatística de Materiais Suaves do Departamento de Química, Engenharia de Materiais e Produção e o Laboratório de Espectroscopia Laser e Manipulação Óptica do Departamento de Física.

Neste experimento, um feixe de laser passa por um "modulador de luz espacial" de cristal líquido dando origem a um padrão de luz heterogêneo. O padrão de luz é então projetado sobre um sistema de contas de vidro de tamanho mícron na água, agindo sobre as partículas como um campo de força (forças ópticas). O "Spatial Light Modulator" permite variar as propriedades do padrão com alta precisão e controle digital. Devido à interação entre forças ópticas e colisões térmicas com moléculas de água, as contas exploram o padrão de luz como se estivessem se movendo sobre uma superfície áspera. De fato, a luz é capaz de imitar a estrutura heterogênea de materiais macios, mas com muito maior controle e reprodutibilidade se comparada aos materiais "reais". A equipe de pesquisa mostra que esta configuração experimental é realmente capaz de reproduzir com precisão a fenomenologia do FnGD ao longo de uma gama sem precedentes de escalas de tempo e probabilidade de deslocamento, também revelando novas características desse fenômeno.

Um efeito de memória da subdifusão anterior

A dança inquieta das partículas microscópicas devido às colisões térmicas com as moléculas do ambiente fascinou os pesquisadores desde a descoberta do movimento browniano, sendo responsável pela difusão, a forma mais importante e difundida de processo de transporte. De acordo com o trabalho de Einstein sobre o movimento browniano padrão, os passos desta dança formam um passeio aleatório, o que implica que o deslocamento quadrático médio da partícula (MSD) aumenta linearmente no tempo (Fickiano) e a distribuição do deslocamento é Gaussiana, como confirmado por uma ampla variedade de experimentos. Por outro lado, caminhadas correlatas (por exemplo, composta por passos para trás e para a frente) dão origem a uma difusão anômala, considerado não Fickiano e não Gaussiano. Assim, Os comportamentos fickiano e gaussiano eram considerados intimamente relacionados.

Em 2009, no Granick's Lab (Universidade de Urbana, Illinois), Experimentos inovadores em contas nanométricas em fluidos biológicos complexos romperam esse cenário bem estabelecido, revelando a existência de um novo tipo de difusão que é distinto tanto do movimento browniano padrão quanto da difusão anômala, sendo simultaneamente Fickiano, mas não Gaussiano. Desde então, essa difusão Fickiana, embora não gaussiana, foi encontrada em uma ampla variedade de ambientes heterogêneos, principalmente sistemas de matéria mole.

A estratégia experimental agora elaborada na Universidade de Nápoles revela que FnGD é precedido por uma difusão anômala anterior (subdifusão), e que os dois regimes estão intimamente entrelaçados. Isso leva a interpretar FnGD como um efeito de memória:A memória de difusão anômala sobrevive mais na distribuição de deslocamento do que no MSD, levando à coexistência temporária de comportamentos fickianos e não gaussianos. Raffaele Pastore e colegas consideram que o sistema-modelo introduzido abre o caminho para experimentos extensos e perfeitamente ajustáveis ​​em FnGD. A possibilidade de visualizar facilmente um grande número de longas trajetórias revelará, com sorte, as características da dança browniana subjacentes à coexistência contraintuitiva de dinâmicas fickianas, mas não gaussianas.