力學(xué)所納米粒子反常受限擴(kuò)散研究獲進(jìn)展

　　 擴(kuò)散是納米尺度下最常見的粒子運(yùn)動(dòng)及物質(zhì)輸運(yùn)方式。與簡單流體中布朗擴(kuò)散不同，在復(fù)雜流體中，納米粒子運(yùn)動(dòng)受到其附近流體非均勻結(jié)構(gòu)的影響，將表現(xiàn)出反常的受限擴(kuò)散特性，即均方位移與時(shí)間呈非線性關(guān)系。近年來研究發(fā)現(xiàn)，某些特征時(shí)間尺度下納米粒子的均方位移與時(shí)間仍符合類似布朗運(yùn)動(dòng)的線性關(guān)系，但其運(yùn)動(dòng)的位移概率密度分布卻展現(xiàn)出非高斯性質(zhì)。這種被稱為“非高斯布朗（non-Gaussian yet Brownian）”的反?，F(xiàn)象引起了學(xué)界的高度關(guān)注，但其來源與機(jī)制一直沒有得到很好的解釋。

　　中國科學(xué)院力學(xué)研究所微納尺度流體力學(xué)課題組的研究人員利用Particle tracking可視化技術(shù)，實(shí)驗(yàn)測量了不同尺寸的納米粒子在不同濃度和分子量的聚環(huán)氧乙烷溶液中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，通過非高斯系數(shù)、位移概率分布及位移自相關(guān)系數(shù)等統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分析了反常受限擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中非高斯性的來源。他們提出納米粒子反常擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的非高斯性源自少量粒子的“跳躍擴(kuò)散（hopping diffusion）”，即納米粒子可以穿越周圍高聚物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出大位移運(yùn)動(dòng)。研究觀測到非高斯性隨時(shí)間和粒子尺寸而改變，當(dāng)納米粒子尺寸小于高聚物特征網(wǎng)格尺寸時(shí)，非高斯性明顯增強(qiáng)而且會(huì)持續(xù)存在較長時(shí)間。以往的研究往往僅關(guān)注納米粒子與高聚物分子的短時(shí)間微觀相互作用，而無法解釋實(shí)驗(yàn)在較長時(shí)間尺度觀察到的非高斯特性；而現(xiàn)研究提出了“跳躍擴(kuò)散（hopping diffusion）”才是“non-Gaussian yet Brownian”反常現(xiàn)象的根源的全新觀點(diǎn)。在應(yīng)用方面，跳躍擴(kuò)散將能夠解釋諸如催化反應(yīng)及生物體內(nèi)信號(hào)和代謝穿梭等小概率事件主導(dǎo)的現(xiàn)象。

　　上述結(jié)果發(fā)表于美國化學(xué)學(xué)會(huì)（ACS）的期刊Journal of Physical Chemistry Letters，通訊作者為助理研究員鄭旭，第一作者為博士研究生薛春東，其他作者包括陳凱凱、田煜和胡國慶等。該研究工作獲得科技部“973”項(xiàng)目與國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。

　　位移概率分布展現(xiàn)出的“肥尾(fat tail)”特性是跳躍擴(kuò)散（hopping diffusion）的顯著標(biāo)志之一，也是納米粒子反常擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的非高斯性主要來源。