[論文レビュー] Giant fluctuations in diffusion in freely-suspended liquid films.

Doriano Brogioli|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2011

Phase Equilibria and Thermodynamics参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、一様勾配下での自由に浮遊する液体膜内の拡散において、2次元系に非平衡フラクチュエーション理論を拡張し、巨大な濃度フラクチュエーションを予測している。ガウス型スポットプロファイルに対するこれらのフラクチュエーションのパワー スペクトルを導出し、膜の物理的性質を推定するためにFRAP実験でプローブ可能であることを示している。周囲の流体からの抵抗は、実験的補正要因として重要な要因である。

ABSTRACT

Recent works have shown that non-equilibrium concentration fluctuations arise during free diffusion in simple, three dimensional fluids. In this paper, I extend the theory of non-equilibrium fluctuations to two dimensional systems, and I evaluate the root mean square amplitude of the fluctuations in the presence of an uniform concentration gradient. I find that, in this case, fluctuations are expected to be extremely strong. Experimentally, two-dimensional liquid systems are approximated by freely suspended liquid films; diffusion is studied with I discuss the effect of the drag due to the fluids surrounding the film, that is the main known difference between real films and ideal two-dimensional liquids. In order to check experimentally this theory, I provide an evaluation of the power spectrum of the fluctuations that should arise during the diffusion of a spot with a gaussian profile, that can be directly compared with the results from a fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) experiment. I propose that this kind of experiment could provide informations on the physical properties of membranes. PACS: 68.15.+e Liquid thin films, 68.65.-k Low-dimensional systems, 47.10.+g Fluid dynamics, 05.40.-a Fluctuations phenomena, 05.70.Ln, Nonequilibrium thermodynamics, 66.10.Cb Diffusion.

研究の動機と目的

• 非平衡フラクチュエーション理論を3次元流体から2次元系に拡張すること。
• 2次元系における一様濃度勾配下での濃度フラクチュエーションのルート・マンス・スクエア（RMS）振幅を評価すること。
• 理想の2次元液体とは異なり、実際の自由に浮遊する膜における周囲の流体からの抵抗効果を考慮すること。
• ガウス型スポットプロファイルの拡散におけるフラクチュエーションの測定可能なパワー スペクトルを導出すること。
• 生物学的膜の物理的性質を明らかにする可能性があるFRAPに基づく実験的検証を提案すること。

提案手法

• 統計力学の枠組みを用いて、非平衡フラクチュエーション理論を2次元系に理論的に拡張すること。
• 2次元系における一様勾配下での濃度フラクチュエーションのRMS振幅を導出すること。
• 周囲の流体からの流体力学的抵抗を、理想2次元挙動に対する補正として組み込むこと。
• ガウス型初期スポットプロファイルの濃度フラクチュエーションのパワー スペクトルを解析的に計算すること。
• 予測されたパワー スペクトルを光漂白後の蛍光回復（FRAP）データと比較すること。
• 得られたスペクトルを、粘度や拡散係数などの膜の物理的性質のプローブとして用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一様濃度勾配下における2次元系における非平衡濃度フラクチュエーションは、どのようにスケーリングするか？
• RQ2 2次元系におけるこれらのフラクチュエーションのRMS振幅の大きさはどの程度か？
• RQ3 周囲の流体からの抵抗は、実際の浮遊膜における観測フラクチュエーションにどのように影響するか？
• RQ4 ガウス型スポットプロファイルからのフラクチュエーションのパワー スペクトルは、FRAPを用いて実験的に測定可能か？
• RQ5 このような測定は、膜の物理的性質に関する定量的情報を提供できるか？

主な発見

• 一様勾配下の2次元系における濃度フラクチュエーションのRMS振幅は、極めて大きく、巨大フラクチュエーションを示すと予測されている。
• ガウス型スポットプロファイルのフラクチュエーションのパワー スペクトルが解析的に導出され、FRAP実験で測定可能であることが示された。
• 周囲の流体からの抵抗はフラクチュエーションのダイナミクスを顕著に変化させ、実膜において重要な要因である。
• 理論的枠組みにより、観測可能なFRAPデータと膜の内在的物理的性質との直接的な関連が確立された。
• 結果から、浮遊膜におけるFRAP実験が膜の粘度や拡散係数の情報抽出に利用可能である可能性が示唆された。