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自驱动粒子在定向随机环境中的反常扩散。

Anomalous diffusion of self-propelled particles in directed random environments.

作者信息

Shaebani M Reza, Sadjadi Zeinab, Sokolov Igor M, Rieger Heiko, Santen Ludger

机构信息

Department of Theoretical Physics, Saarland University, D-66041 Saarbrücken, Germany.

Institut für Physik, Humboldt-Universität zu Berlin, Newtonstrasse 15, D-12489 Berlin, Germany.

出版信息

Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys. 2014 Sep;90(3):030701. doi: 10.1103/PhysRevE.90.030701. Epub 2014 Sep 15.

DOI:10.1103/PhysRevE.90.030701
PMID:25314383
Abstract

We theoretically study the transport properties of self-propelled particles on complex structures, such as motor proteins on filament networks. A general master equation formalism is developed to investigate the persistent motion of individual random walkers, which enables us to identify the contributions of key parameters: the motor processivity, and the anisotropy and heterogeneity of the underlying network. We prove the existence of different dynamical regimes of anomalous motion, and that the crossover times between these regimes as well as the asymptotic diffusion coefficient can be increased by several orders of magnitude within biologically relevant control parameter ranges. In terms of motion in continuous space, the interplay between stepping strategy and persistency of the walker is established as a source of anomalous diffusion at short and intermediate time scales.

摘要

我们从理论上研究了自驱动粒子在复杂结构上的输运性质,例如丝状网络上的运动蛋白。我们发展了一种通用的主方程形式来研究单个随机漫步者的持续运动,这使我们能够确定关键参数的贡献:马达的持续作用、基础网络的各向异性和不均匀性。我们证明了反常运动存在不同的动力学机制,并且在生物学相关的控制参数范围内,这些机制之间的交叉时间以及渐近扩散系数可以增加几个数量级。就连续空间中的运动而言,步长策略与漫步者持续性之间的相互作用被确立为短时间和中等时间尺度下反常扩散的一个来源。

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