Fluctuations d'interface dans différents modèles vivants et non vivants considérés dans le cadre de l'étude :b) ondulations thermiques de surface sur le graphène au-dessus de l'eau, c) image en champ clair d'un Physarum polycephalum (moisissure visqueuse) pour démontrer des contractions vasculaires périodiques actives de gauche à droite, avec le temps, d) représentation schématique d'un modèle théorique pour évaluer la diffusion des particules, le transport est modifié par advection, e) représentation schématique d'une géométrie bidimensionnelle utilisée dans le texte principal pour expliquer la théorie. Crédit: Physique de la nature , doi :https://doi.org/10.1038/s41567-018-0239-0.
Le physicien Richard Feynman a souligné l'importance des fluctuations de la matière vivante lorsqu'il a déclaré :"Tout ce que font les êtres vivants peut être compris en termes de tremblements et de remuements d'atomes." Cela est vrai pour le transport largement étudié entraîné par les fluctuations des nanopores biologiques et pour des observations similaires dans les phases fluides non vivantes, où les fluctuations hydrodynamiques en vrac affectent considérablement la dynamique à l'échelle nanométrique. Des simulations numériques ont également mis en évidence l'impact des modes phononiques dans les nanotubes de carbone transportant des particules confinées en leur sein, et des études à plus grande échelle ont étudié les ondes acoustiques de surface microfluidiques qui manipulent les fluides à l'échelle microscopique. Alors que ces observations montrent l'impact quantitatif de l'agitation de surface sur les propriétés de transport couvrant des échelles de longueur considérables, une théorie générale qui prédit la dépendance des propriétés de transport sur les fluctuations de surface fait défaut. Un tel potentiel de contrôle actif ou passif du transport moléculaire à travers les nanopores aura un impact sur les applications de biodétection.
Par exemple, maintenant, il est étonnamment difficile de répondre si les fluctuations de la surface des pores ont amélioré ou diminué le transport diffusif. Alors que les fluctuations de surface devraient améliorer les propriétés de diffusion à travers les écoulements hydrodynamiques induits, des renflements géométriques peuvent piéger des particules pour un ralentissement entropique. Par conséquent, la situation plus générale des transports à géométrie variable dans le temps reste ouverte. En réponse, écrit dans Physique de la nature, Marbach et al. ont maintenant établi une relation générale entre le transport diffusif et le spectre dynamique des fluctuations de surface. Le cadre s'applique aux cas dans lesquels les fluctuations structurelles du pore de confinement sont induites par le bruit thermique, et aux fluctuations actives de non-équilibre induites par des stimuli externes. La théorie a été appliquée pour comprendre plusieurs situations relatives au transport des nanopores et à des configurations à plus grande échelle telles que les contractions actives chez les espèces fongiques qui influencent le transport des nutriments.
Les résultats ont démontré une interaction complexe entre le transport et le mouvement de surface. La théorie était en plein accord avec les simulations de la dynamique moléculaire et avec les observations existantes de la littérature. Les résultats ont mis en lumière l'impact de l'agitation des pores dans une large gamme de porines artificielles et biologiques et à plus grande échelle dans le mouvement vasculaire des champignons, contractions intestinales et ondes de surface microfluidiques, ouvrant la possibilité de régler activement le transport à travers les membranes via des stimuli externes. De tels phénomènes ont des applications potentielles pour le pompage contrôlé à l'échelle nanométrique, osmose et ultrafiltration dynamique à travers les membranes.
La théorie a commencé par analyser la diffusion d'une particule confinée entre deux surfaces fluctuantes dans une géométrie bidimensionnelle simple, facilement extensible à trois dimensions. En premier, la théorie générale appliquée à plusieurs scénarios, y compris les fluctuations provenant du bruit thermique et les fluctuations actives (hors équilibre) induites par des stimuli externes. Dans les équations suivantes, la constante de diffusion peut être renormalisée pour être positive ou négative, car secouer le système pourrait accélérer ou ralentir les choses. D'autres scénarios ont été envisagés pour des situations dans lesquelles la structure des pores a subi des fluctuations de non-équilibre dues à un stimulus externe en ajoutant une force à une équation, conduisant à un transport hors d'équilibre dans les pores.
Transport amélioré ou diminué sous la forme des pores ondulés par rapport au nombre sans dimension semblable à celui de Péclet pour divers modèles de transporteurs de fluides, décrit dans l'étude. La diffusion efficace dans les pores thermiquement ou activement fluctuants a été renormalisée via un spectre de dynamique thermique ou via une dynamique active comme décrit dans l'étude. Crédit: Physique de la nature , doi :https://doi.org/10.1038/s41567-018-0239-0.
Comme résultat du cadre théorique, les physiciens ont pu quantifier l'impact des fluctuations de surface sur le transport dans les systèmes modèles considérés dans l'étude. Typiquement pour un nombre élevé de type Péclet (un indicateur sans dimension de diffusion ou d'advection dans un système), le transport devrait augmenter sous le tremblement structurel à travers une distribution dominée par l'advection, comme observé.
Dérivation de l'équation d'advection-diffusion réduite entre un substrat plat et une surface supérieure fluctuante. Le schéma montre une interface fluctuante [z=h(x, oui, t)] à partir d'une hauteur de référence H. L'interface constitue soit une membrane, soit une couche libre. Crédit: Physique de la nature , doi :https://doi.org/10.1038/s41567-018-0239-0.
Le transport des molécules à travers les membranes biologiques est un processus étroitement régulé, absolument vital pour les organismes vivants. Le paradigme peut donc être utilisé dans un organisme d'intérêt pour comprendre la dynamique de la dispersion des nutriments au sein des réseaux vasculaires en contraction, car des stratégies alternatives pour une dispersion rapide des nutriments sont essentielles à la survie. Par exemple, dans l'organisme unicellulaire P. polycephalum composé d'un réseau connecté de veines contenant du cytoplasme, les nutriments peuvent être délivrés à travers le corps par des flux navettes périodiques non stationnaires entraînés par une vague péristaltique de contractions couvrant l'organisme.
L'étude a mis en évidence qu'une grande variété de situations couvrant une gamme d'échelles peut être mise en perspective dans le cadre théorisé. La théorie permettra l'identification des composants clés pour concevoir des canaux actifs. Les résultats ont montré la possibilité de régler activement la diffusion à travers les nanopores. En outre, l'osmose peut être modifiée dans les canaux fluctuants en exploitant la dynamique hors équilibre du pore, pour une exploration future. De telles capacités de réglage fin auront des applications importantes dans les études moléculaires approfondies à l'avenir.
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