Subdiffusjon

Subdiffusjon er en form for avvikende diffusjon der middelkvadratsforflytningen ⟨r^2(t)⟩ vokser langsommere enn lineært med tid. Ofte beskrives dette som ⟨r^2(t)⟩ ∝ t^α, der 0 < α < 1. Dette står i kontrast til normal diffusjon (α = 1) og superdiffusjon (α > 1). Subdiffusjon skyldes ofte hindringer, bindinger eller komplekse og kolliderende miljøer som gir tidslige eller romlige begrensninger for bevegelsen.

Vanlige forklaringsmodeller inkluderer kontinuerlig tidsrandomvandring (CTRW) med langhalede ventetidsfordelinger som gir pauser mellom småtrinnene og dermed subdiffusjon (α bestemmes av haleparameteren). CTRW kan føre til ergodicitetsbrudd og aging, der oppførselen avhenger av prøvetiden. En annen gruppe modeller er fraksjonell Brownsk bevegelse (FBM) og fraksjonell Langevin-ligning (FLE), som har langvarige tidskorellasjoner mellom trinnene og ofte gir subdiffusjon med Gaussisk fordeling, men ulik ergodisk karakter. Diffusjon på fraktale geometrier gir også subdiffusjon, hvor effektiv dimensjon påvirker α.

Observasjoner og målinger i praksis inkluderer ensemble-averert MSD og tidsavhengig MSD. I CTRW-relaterte systemer kan disse være forskjellige, noe som reflekterer ergodicitetsbrudd og aging. Eksperimentelt brukes ofte enkel-partikkel-sporing og fluorescenskorrelasjonsspektroskopi for å kartlegge subdiffusjon i biologi, polymerer, porøse medier og andre komplekse medier.

Subdiffusjon har betydning i blant annet intracellular transport, materialvitenskap og medikamentskjemi, der hindret eller korrelert bevegelse påvirker transport- og reaksjonsprosesser.