Bir sistem boyunca ayırt edilemeyen parçacıkların hareketini izlemek zor olabilir, bu da bakteri kolonilerindeki veya polimer karışımlarındaki etkileşimleri değerlendirmeyi zorlaştırır. Araştırmacılar tarafından, farklı boyutlardaki varsayımsal kutulardaki parçacıkların basit bir sayımından parçacık dinamiklerinin çıkarılmasına olanak tanıyan yeni bir yaklaşım geliştirilmiştir.
Bir sıvı içinde dolaşan minik plastik küreleri içeren deneyler, bu “kontoskop” tekniğini göstermelerine olanak tanımıştır.
Parçacık kümelenmesi, ölçülen difüzyon hızının farklı boyutlardaki kutular arasında değiştiği gerçeğiyle gösterilmiştir. Bir gün, bilim insanları, bakterileri ve diğer organizmaları neyin bir araya getirdiğini öğrenmek için kontoskopun bu tür kolektif aktiviteyi tespit etme kapasitesinden yararlanabilirler.
Biyoloji, kimya ve yumuşak madde fiziği alanlarındaki araştırmacılar, sıklıkla “rastgele yürüyüş” gösteren çok sayıda parçacığa sahip sistemleri incelerler. Difüzyon sabiti ile tanımlandığı gibi, tek bir parçacığın hareket ettiği hız, bu davranışı tanımlamak için önemli bir ölçüttür.
Bir kimyager, bir molekülün kimyasal analiz ekipmanındaki bir jelden hareket etme hızını belirlemek için difüzyon sabiti ölçümünü kullanabilir ve bir biyolog bunu hücrelerin sağlığını belirlemek için kullanabilir. Bir video kaydında tek bir parçacığın yörüngesini takip etmek, difüzyon sabitini belirlemek için yaygın bir yöntemdir.
Fransız bilim insanı Sophie Marbach’a göre, aynı görünen çok sayıda parçacık olduğunda bu rota yeniden yapılandırması zordur.
Marbach ve meslektaşları tarafından alternatif bir yaklaşım olan kontoskop geliştirildi; bu, bir mikroskop resminin içine çizilen yapay bir kutunun içindeki parçacıkları saymayı gerektirir.
Marbach, “Kimin nereye gittiğini belirleme meselesini” bir kenara bırakabilirsiniz diyor. “Görüntülerdeki insanları tanımlamak tek gereken şey” diyor. Araştırmacılar, parçacık sayısının zamanla değişmesini izleyerek difüzyon sabitini ve parçacık dinamikleriyle ilgili diğer ayrıntıları belirleyebilirler.
Bir asırdan fazla bir süre önce çalışan Polonyalı fizikçi Marian Smoluchowski, parçacıkları incelemek için bir mikroskop kullandı ve sayılarının zamanla değiştiğini buldu.
Kontoskop, Smoluchowski’nin yaklaşık altı sayımı aksine, her karede binlerce parçacığı saymak için görüntü tanıma yazılımı kullanır. Ek olarak, Marbach ve meslektaşları, hem küçük hem de büyük boyutlarda dinamikleri analiz etmelerine olanak tanıyan sayım kutularının boyutunu ayarlama seçeneğine sahiptir.
Araştırmacılar, prosedürün nasıl çalıştığını göstermek için, 2,8 µm çapında plastik kürelerden oluşan 2 boyutlu bir katman yerleştirmek için suyla dolu bir hücre kullandılar.
Araştırmacılar, bu “kolloidal” sistemi incelemek için 4 ila 32 µm arasında değişen farklı kenar uzunluklarına sahip kutuları seçtikçe, her kutu karesindeki parçacık sayısını saymak için programlarını kullandılar.
İlk kareye göre parçacık sayısındaki ortalama kare değişimi, ⟨ΔN2 ⟩ olarak gösterilir ve onlar tarafından hesaplanmıştır. Bu miktar, tek bir parçacığın rastgele yürüyüşünü açıklayan ortalama kare yer değiştirmeyle matematiksel olarak aynıdır. Araştırmacılar, kolloidin difüzyon sabitini ⟨ΔN2 ⟩’deki büyüme oranına göre hesapladılar ve araştırmacılar bunun zamanla arttığını keşfettiler. Difüzyon değeri açısından, altın standart yörünge yeniden yapılandırma yaklaşımından elde edilen sonuçlarla aynı seviyedeydiler.
Daha sonra bilim insanları aynı testleri tekrar yaptılar, bu sefer daha yüksek yoğunluklar kullandılar, yani birim alan başına ortalama daha fazla parçacık vardı. Daha fazla kalabalıktan beklendiği gibi, yoğunluk arttıkça parçacık difüzyonu yavaşladı. Bununla birlikte, toplu etkiler de gözlemlendi; örneğin, parçacıkların kısa bir süre yaklaşık 10 parçacıktan oluşan demetler halinde toplanması. Bu davranış önceki çalışmalarda kapsamlı bir şekilde araştırılmamıştır. Marbach’a göre, sürünün hareketi tek bir parçacığın izlenmesinden ayırt edilemez.
Bununla birlikte, küçük ve büyük kutularını kullanarak, kontoskop kontrol süreçlerini ortaya çıkarmak için bu grup aktivitesine odaklanabilir. Marbach ve meslektaşları, çalışmalarında geçici demetlerin beklenmedik şekilde hızlı hareket ettiğini keşfettiler; bu da tipik kolloidal modellerin bazı hidrodinamik yönlerden yoksun olma olasılığını gündeme getiriyor. “Ayrıntılar konusunda tamamen emin değiliz, ancak niceliksel olarak belirlemeyi başardığımız yeni bir şey,” diyor.
Yumuşak madde fizikçisi olan Cerbino’ya göre, “Parçacık yörüngelerini yeniden yapılandırma ihtiyacını ortadan kaldırdığı için kontoskopu parçacık izleme için umut verici bir alternatif olarak görüyorum.” Floresan veya saçılan parçacıklar tarafından yayılan toplam ışığı saymak gibi parçacık sayılarını dolaylı olarak ölçen alternatif yöntemler olduğunu belirtiyor.
Cerbino’ya göre kontoskop, dolaylı olarak kullanılan bu yaklaşımlarla karşılaştırıldığında “çeşitli senaryolarda ayrıntılı hesaplamalarla desteklenen daha esnek ve modern”.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v17/153
