A memory based random walk model to understand diffusion in crowded heterogeneous environment
我们研究基于记忆的随机游动模型，以了解拥挤的异质环境中的扩散运动。所考虑的模型是非马尔可夫的随机游走模型的当前移动是通过随机选择一个移动历史。在每一步，粒子可以采取右，左或停留移动，这是与随机选择的过去一步。有一个完美的停留停留相关性，确保粒子不会移动，如果随机选择的过去一步是停留移动。遍历与所选历史相同的方向或反转它的概率取决于当前时间和所选历史的时间或位置。移动中的时间或位置依赖性偏置隐含地对应于环境的异质性，并且决定了动态的长期行为，其可以是扩散的、亚扩散的或超扩散的。结合解析解和不同随机游走模型的蒙特卡罗模拟，可以更深入地了解非均匀环境中相关性对系统动力学的影响。
2017-12-12 cond-mat.stat-mech
Polymer Translocation in Crowded Environments
我们研究了细胞质的拥挤性质对聚合物通过膜孔易位的影响。通过系统地处理由于拥挤的熵罚，我们表明，易位动力学显着改变，导致新的缩放行为的易位时间的链长。我们还观察到新的和定性不同的易位制度，这取决于拥挤的程度，跨膜化学势的不对称性，和聚合物的长度。
2007-03-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Scaling study of diffusion in dynamic crowded spaces
本文提出标度理论，研究高密度移动障碍物空间中示踪粒子的长时扩散，用两个临界指数μ和ψ刻画有效扩散常数对障碍物密度和扩散率的依赖。
2024-10-09 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Diffusion-limited reactions in crowded environments
扩散限制反应（DLR）通常在Smoluchowski理论中描述，该理论忽略了扩散组分之间的相互作用。我们提出了第一个扩展这样的框架工作，包括排除体积效应，考虑硬扩散剂的存在下，吸收汇。对于大的扩散器与扩散器尺寸比Rs的值，从模拟中获得的遭遇率与高密度下Smolu-chowski方程的简单概括非常一致。降低Rs，速率在中间填充处得到实质上的抑制，并且对于Rs << 1变得甚至非单调。在速率饱和的同时，在吸收中心附近产生稳态密度波。平均场，有效势分析的Smoluchowski方程下拥挤揭示了这种秩序和减速的遭遇动态之间的微妙联系。最后，我们展示了如何无限少量的非反应杂质可以同样显着减缓反应。
2010-07-20 cond-mat.stat-mech
Universal Particle Kinetic Distribution in Crowded Environments
本文提出用修正的Nakagami-$m$函数描述拥挤异质环境中粒子沉积时的速度概率分布，并通过Lagrangian模拟和文献实验数据验证其普适性。
2020-10-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Diffusion of two molecular species in a crowded environment: theory and experiments
在微分方程的框架中研究了双组分流体的扩散，但是这些方程是从定义明确的微观模型系统地导出的。该模型有一个有限的承载能力强加于它在介观层面上，这被证明是导致非线性交叉扩散项，修改传统的Fickean图片。在回顾了模型的推导过程之后，描述了为测试模型而进行的实验。它可以充分解释两个致密的墨滴在充满水的容器中同时演化的动力学。实验表明，分子拥挤的结果在形成一个动态的障碍，防止液滴的混合。该模型成功地捕捉到了这一现象。这表明，所提出的模型可以被看作是一个推广的标准扩散到多物种的设置，其中考虑到拥挤和空间干扰。
2012-04-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Microscopic theory for negative differential mobility in crowded environments
我们研究了在移动的硬核障碍物的环境中的驱动粒子的静止速度的行为。基于格子气模型，我们证明了解析的漂移速度可以表现出非单调依赖于所施加的力，并定量地表明，这种负微分迁移率（NDM），在各种物理环境中观察到的，是由密度和扩散时间尺度的障碍。我们的研究统一了最近的数值和分析结果，在特定的制度，并使其能够确定分析的区域的全参数空间发生NDM。这些结果表明，NDM可能是拥挤环境中偏向（或主动）运输的一个通用特征。
2014-12-02 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech
Run-and-tumble in a crowded environment: persistent exclusion process for swimmers
拥挤的运行和翻滚的游泳者，如细菌的动力学的效果进行了研究，使用一个离散的格子模型的相互排斥的粒子，以恒定的速度沿着一个方向，是随机的速率$α$。在静止状态下，发现系统分裂成密集的团簇，其中粒子被捕获或停止移动。这些簇的特征尺寸在1D和2D中主要按$α^{-0.5}$缩放。对于一系列的密度，由于合作效应，停止时间尺度为${\cal T}_{1d}^{0.85}$和${\cal T}_{2d}^{0.8}$，其中${\cal T}_d$是与集群边界的运动相关联的扩散时间。我们的研究结果可能有助于了解生物膜形成的早期阶段。
2013-12-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Dynamics of a polymer in an active and crowded environment
我们研究了一个理想的聚合物链在拥挤的，粘弹性介质中的动力学，并在积极的力量的存在。计算了质心和单个单体的运动。在时间尺度上，相当于持续时间的积极力量，单体可以移动superdiffusively，而在更大的时间尺度subdiffusively行为发生。这种subdiffusion之间的差异，在没有积极的力量是量化的。我们表明，聚合物溶胀响应于活跃的过程，并确定这种溶胀如何取决于环境的粘弹性。我们的研究结果相比，最近的实验中的运动在细菌中的染色体位点。
2015-12-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Extreme escape from a cusp: when does geometry matter for the fastest Brownian particles moving in crowded cellular environments?
我们在这里研究布朗粒子从尖点漏斗逃逸的极端统计：最快的布朗粒子之间的$n$遵循一个合奏的最佳轨迹位于附近的最短路径从源到目标。对于这样的第一个到达者的时间，我们推导出一个渐近公式，不同于经典的窄逃逸和可怕的海峡获得的平均首次通过时间。因此，当粒子最初分布在距尖点给定距离处时，最快的粒子确实看到了一些表征尖点几何形状的特性。因此，当许多颗粒在不可渗透的障碍物周围扩散时，几何形状在到达目标的时间中起作用。在用信号分子进行细胞转导的生物学背景下，必须逃离这样的尖端样结构域减慢了快速信号传导。总之，产生同一分子的多个拷贝有助于绕过拥挤的环境，快速传递分子信号。
2020-01-22 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Crowding-Enhanced Diffusion: An Exact Theory for Highly Entangled Self-Propelled Stiff Filaments
我们研究了一个强烈的相互作用拥挤的系统的自推进刚性细丝事件驱动的布朗动力学模拟和分析理论，以阐明拥挤和自推进的复杂相互作用。我们发现一个显着增加的有效扩散系数后，增加的细丝数密度超过一个数量级。这种反直觉的“拥挤更快”的行为可以通过扩展Doi和Edwards开创的用于高度纠缠的拥挤、被动到主动系统的限制管的概念来合理化。我们预测的有效扩散系数的Péclet数和细丝数密度的函数的标度理论。随后，我们证明了一个精确的表达式推导出一个单一的自推进丝与运动参数作为输入可以预测的非平凡的时空动态在整个范围内的长度和时间尺度。特别是，我们的理论捕捉短时间的扩散，定向游泳运动在中间的时间，并在长时间的过渡到完整的取向松弛。
2022-09-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Taming Lévy flights in confined crowded geometries
我们研究了示踪粒子在受限、拥挤的各向异性几何结构中的二维扩散运动。基础介质与我们先前的工作[J. Chem. Phys. 140，044706（2014）]中相同，其中研究了标准高斯扩散。在这里，允许跟踪器执行具有不相关步骤的柯西随机游走。我们的分析表明，障碍物的存在显着影响运动，这在一个无障碍的空间将是一个超扩散型。同时，自扩散过程揭示了不同的异常性质，无论是在一个单一的轨迹实现的水平和后的合奏平均。特别是，由于障碍物，样本的均方位移渐近增长的时间次线性，这表明非马尔可夫性质的运动。然而，仔细检查的生存概率表明，潜在的扩散是无记忆的长期尺度上，尽管强烈的不均匀性运动诱导的取向排序。
2014-11-28 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Helical Tubes in Crowded Environments
当放置在拥挤的环境中时，半柔性管被迫折叠以形成更紧凑的形状。在自然界中经常出现的一种紧凑形状是紧密螺旋，特别是当管厚度与管长度具有可比性时。在本文中，我们使用排除体积效应来模拟拥挤的影响。这为我们提供了管的配置的紧凑性的度量，我们使用该度量来查看使排除体积最小化的半柔性管的结构。我们把大部分的注意力集中在螺旋上，以及哪种螺旋几何形状是最紧凑的。我们发现，特定的螺距半径比2.512的螺旋是最佳紧凑。这是使定义管的曲线的全局曲率最小化的相同几何体。我们进一步研究了添加弯曲能量或多个管的影响，以开始探索管可能形成的更完整的几何空间。
2006-12-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Absolute negative mobility of an active tracer in a crowded environment
本文通过微观理论揭示活性示踪粒子在拥挤晶格环境中出现绝对负迁移率的机制，解析计算其速度并确定参数条件，同时阐明其与负微分迁移率的关系。
2022-12-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Emergence of Directed Motion in a Crowded Suspension of Overdamped Particles
本文通过数值模拟研究被动布朗粒子在高扩散、短程排斥粒子悬浮液中的运动，揭示中间时间尺度定向运动的涌现机制及其导致的 Einstein 关系失效与扩散率非单调增长。
2023-04-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Survival of interacting Brownian particles in crowded 1D environment
研究了准一维微孔中相互作用的布朗粒子系统的扩散运动。特别地，我们考虑了一个半无限的一维几何与部分吸收边界和硬核粒子间的相互作用。由于吸收边界，孔中的颗粒数量逐渐减少。给出了问题的精确解析解。我们的程序只需要相应的单粒子问题的知识。首先，我们计算在确定的坐标系中仍有一定数量的存活粒子$N-k$的同时概率密度。针对任意一个标记粒子，我们导出了其坐标的精确概率密度。其次，我们提出了一个完整的概率描述新兴的逃逸过程。计算了单个粒子的生存概率，讨论了粒子退出时刻的一阶矩和二阶矩。一般来说，虽然原始的粒子间相互作用具有点状特征，但它会引起熵排斥力，例如，将最左边（最右边）的粒子推向（相对于）吸收边界，从而加速（减速）其逃逸。更重要的是，与非相互作用粒子的参考问题相比，相互作用改变了表征长时间渐近动力学的动力学指数。有趣的新的见解出现后，我们解释我们的模型在a）一个$N$维空间中的单个粒子的扩散，和b）顺序统计定义在一个系统的$N$独立，同分布的随机变量。
2012-03-04 cond-mat.stat-mech
Contact processes in crowded environments
周期性剪切胶体在低密度下表现出动态相变从一个非活性相的应变振幅增加。非活动阶段包括在稳定状态极限下粒子之间没有碰撞/接触，而在活动阶段中，碰撞持续存在。为了在更高的密度下研究这个系统，我们构建并研究了一个具有新的三体相互作用的守恒粒子数接触过程，这可能比更高密度下的两体相互作用更有可能。例如，考虑一个活性（扩散）颗粒与两个非活性（非扩散）颗粒碰撞，使得它们除了自发失活之外变得活性。在平均场中，该系统表现出一个连续的动态相变，属于守恒定向渗流普适类。正方形格子上的模拟支持平均场的结果。相反，需要两个活性粒子激活一个非活性粒子的三体相互作用表现出不连续的过渡。最后，受玻璃化转变的动力学约束模型的启发，我们研究了在更高的颗粒密度下的“笼效应”，以寻找第二动态相变回到非活性相。正方形格子模拟表明一个连续的过渡与一组新的指数不同保守的定向渗流，即一个新的普适类接触过程与保守的粒子数。
2013-04-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Trapped by the drift
扩散类型不仅由微观动力学决定，而且由环境性质决定。例如，环境的分形结构是负责的出现subdiffusive缩放的均方位移在马尔可夫系统，因为存在的非平凡放置的障碍物把可能的位移的限制。我们研究如何漂移的附加作用改变拥挤环境中的扩散特性。结果表明，一个恒定的漂移的行动增加的机会捕获，抑制持续的弹道运动。这种扩散变得各向异性，因为漂移引入了优选的运动方向，该方向通过与障碍物的相互作用而进一步改变。此外，个别轨迹显示出高水平的可变性，这是负责的扩散前的宏观性质。总体而言，漂移，扩散和拥挤的环境之间的相互作用，测量的时间平均均方位移，是负责在同一系统中出现的superdiffusive和subdiffusive模式。重要的是，与自由运动相反，恒定漂移可以增强亚扩散运动的特征。
2021-03-23 cond-mat.stat-mech
Crowding competes with trapping to enhance interfacial diffusion
在生物膜或材料界面的拥挤环境中的扩散通常涉及与表面蛋白质或缺陷的间歇性结合。为了解释这种情况，我们研究了一个2维格子气在一个领域的固定陷阱。利用动力学蒙特卡罗模拟，我们计算了在长时间限制的有效扩散系数作为陷阱和粒子密度的函数。我们发现一个显着的结果-增加的扩散系数与颗粒密度，我们硬币作为拥挤增强扩散的效果。我们合理化这一结果使用缩放参数和主方程的方法。
2021-06-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Unexpected crossovers in correlated random-diffusivity processes
在拥挤的液体和活的生物细胞内的微米级示踪剂颗粒的被动和主动运动的普遍特征是“粘弹性”的异常扩散，其中的运动的增量功能长范围的负相关和正相关。虽然粘弹性异常扩散通常由具有相关增量的高斯过程建模，所谓的分数高斯噪声，但越来越多的系统被报道，其中粘弹性异常扩散与非高斯位移分布配对。随着布朗非高斯扩散的最新进展，我们在这里介绍和讨论几种可能的版本的随机扩散模型与长程相关。虽然所有这些模型都显示了从非高斯到高斯分布的交叉超过一些相关时间，但它们的均方位移表现出惊人的不同行为：根据模型，观察到从异常到正常扩散的交叉，以及有效扩散系数对相关指数的意外依赖性。我们观察到的强非普遍性的随机扩散粘弹性异常扩散是重要的实验分析和更好地理解的物理起源的“粘弹性但非高斯”扩散。
2020-05-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
When diffusion faces drift: consequences of exclusion processes for bi--directional pedestrian flows
基于随机粒子的模型是描述拥挤受限环境中大量行人集体运动的有用工具。使用基于简单排除过程的描述，两个粒子群体模仿在建筑环境中行走的行人，从两个相对的侧面进入房间。一个种群是被动的--不知道局部环境;属于这个种群的粒子执行对称随机行走。另一个群体具有关于局部几何体的信息，即一旦粒子进入可见区，漂移就会激活它们。他们的自我推进力引导他们走向出口。这第二种类型的物种在这里被称为活跃的。假设的拥挤程度对应于一个接近堵塞的场景。我们在本文中提出的主要问题是：我们可以诱导修改的动态的活性粒子，以提高输出电流的被动粒子？为了解决这个问题，我们计算占领数配置文件和电流为两个人口在选定的参数范围内。除了观察到更经典的更快-是-更慢的效果，新的功能出现突出的电流的非单调性，自诱导的相位分离内的主动人口，以及加速被动粒子的大漂移制度的主动粒子。
2020-03-02 cond-mat.stat-mech
Modelling persistence of motion in a crowded environment: the diffusive limit of excluding velocity-jump processes
运动的持续性是物体在短时间尺度内保持在一个方向上的运动而不一定在长期内偏向任何方向的趋势。研究这种行为的最合适的数学工具之一是基于代理的速度跳跃过程。在没有主体-主体相互作用的情况下，基于主体的模型（ABM）的平均场连续极限产生了众所周知的双曲电报方程。当智能体相互作用包括在ABM中，一个严格的平流偏微分方程（PDE）系统可以在人口水平上。然而，没有扩散限制的反弹道导弹已得到这样的模型。将反弹道导弹的微观行为与扩散性宏观描述联系起来是可取的，因为这样可以探索更广泛的情景，并与常用的运动分析统计工具建立直接联系。为了连接ABM在人口水平的扩散PDE在人口水平上，我们考虑了一个广义的基于代理的速度跳跃过程的二维晶格与三种形式的代理相互作用。这种推广使我们能够采取扩散限制，并获得一个忠实的人口水平的描述。我们研究了模型在个体和种群水平上的性质，并阐明了模型的一些关键特征。特别是，我们表现出固有的各向异性的模型，我们发现在微观和宏观尺度的自发形式的聚集的证据。
2018-03-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.CB
