[논문 리뷰] Giant fluctuations in diffusion in freely-suspended liquid films.

Doriano Brogioli|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 24.

Phase Equilibria and Thermodynamics참고 문헌 16인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비평형 변동 이론을 이차원 시스템으로 확장하여 균일한 기울기가 존재하는 자유로이 매달린 액체 필름에서의 확산 중 거대한 농도 변동을 예측한다. 고려된 경우에 대해 가우시안 점 프로파일에 대해 이러한 변동의 파wr 스펙트럼을 유도하며, 이는 FRAP 실험을 통해 측정 가능하여 막의 물리적 성질을 추론하는 데 활용될 수 있으며, 둘레의 유체로부터의 마찰력이 핵심 실험 보정 요소가 된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 3차원 유체에서의 비평형 변동 이론을 이차원 시스템으로 확장하기 위해.
• 2차원에서 균일한 농도 기울기가 존재할 때 농도 변동의 제곱평균근 크기를 평가하기 위해.
• 이deal 2차원 액체와는 다름없이 실제 자유로이 매달린 필름에서 둘레의 유체로부터의 마찰 효과를 고려하기 위해.
• 가우시안 점 프로파일의 확산 중 변동에 대한 측정 가능한 파워 스펙트럼을 유도하기 위해.
• 생물막의 물리적 성질을 드러내는 데 사용될 수 있는 FRAP 기반 실험적 검증을 제안하기 위해.

제안 방법

• 통계역학 프레임워크를 사용하여 비평형 변동 이론을 2차원 시스템으로 이론적으로 확장하기 위해.
• 균일한 기울기가 존재할 때 2차원에서 농도 변동의 제곱평균근 크기를 유도하기 위해.
• 이deal 2차원 거동에 대한 보정으로 둘레의 유체로부터의 유체역학적 마찰을 통합하기 위해.
• 가우시안 초기 점 프로파일에 대한 농도 변동의 파워 스펙트럼을 분석적으로 계산하기 위해.
• 예측된 파워 스펙트럼을 광학적 복원 후 형광 강도 측정(FRAP) 데이터와 비교하기 위해.
• 유도된 스펙트럼을 막의 점도 및 확산 계수와 같은 물리적 성질을 측정하는 도구로 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 균일한 농도 기울기 하에서 비평형 농도 변동이 이차원 시스템에서 어떻게 척도가 되는가?
• RQ2 2차원에서 이러한 변동의 제곱평균근 크기는 어느 정도인가?
• RQ3 실제 매달린 필름에서 둘레의 유체로부터의 마찰은 관측되는 변동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 가우시안 점 프로파일에서의 변동 파워 스펙트럼은 FRAP를 통해 실험적으로 측정할 수 있는가?
• RQ5 그러한 측정은 막의 물리적 성질에 대한 정량적 정보를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 균일한 기울기가 존재할 때 2차원 시스템에서의 농도 변동의 제곱평균근 크기는 매우 크며, 이는 거대한 변동을 의미한다.
• 가우시안 점 프로파일에 대한 변동의 파워 스펙트럼이 분석적으로 유도되었으며, FRAP 실험에서 측정 가능하다는 것이 입증되었다.
• 둘레의 유체로부터의 마찰은 변동 역학을 크게 수정하며, 실재 필름에서 핵심적인 요소가 된다.
• 이론적 프레임워크는 관측 가능한 FRAP 데이터와 막의 내재된 물리적 성질 사이의 직접적인 연결 고리를 제공한다.
• 결과적으로 매달린 필름에서의 FRAP 실험은 막의 점도 및 확산 계수에 대한 정보를 추출하는 데 활용될 수 있다.