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Discriminating stochastic processes for the assessment of materials properties by diffusion measurements

DOI zum Zitieren der Version auf EPub Bayreuth: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00009356
URN zum Zitieren der Version auf EPub Bayreuth: urn:nbn:de:bvb:703-epub-9356-2

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Metzler, Ralf ; Weiss, Matthias:
Discriminating stochastic processes for the assessment of materials properties by diffusion measurements.
In: Physical Chemistry Chemical Physics. Bd. 27 (Juni 2025) . - S. 14350-14358.
ISSN 1463-9084
DOI der Verlagsversion: https://doi.org/10.1039/D5CP01378J

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Abstract

Assessing the materials properties of complex media, e.g. colloidal suspensions or intracellular fluids, frequently relies on quantifying the diffusive motion of tracer particles. In particular, from the particles’ mean squared displacement (MSD) one may infer the complex shear modulus of the medium. Yet, experimentally the same power-law forms of the MSDs emerge for tracer diffusion in very different environments. For example, diffusive motion in a static maze of fractal obstacles (obstructed diffusion, OD) and motion in viscoelastic fluids (often described by fractional Brownian motion, FBM) can show an identical sublinear MSD scaling, but an MSD-derived complex shear modulus is meaningless for OD as the system does not feature any viscoelasticity. Here we show that OD and FBM trajectories are highly similar in many observables, including the MSD and the autocovariance function that reports on the memory of the particle motion. The Gaussianity and/or the asphericity of trajectories, extracted with single-particle tracking, allows for a proper discrimination of OD and FBM, facilitating a meaningful interpretation of the materials properties of the medium. In contrast, techniques that only monitor particle number fluctuations in a region of interest are not capable of discriminating highly similar random processes like FBM and OD as they only rely on the MSD. We therefore highly recommend the use of the more informative tracking of single particles when aiming to asses materials properties of the medium under investigation.

Weitere Angaben

Publikationsform: Artikel in einer Zeitschrift
Themengebiete aus DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften; Biologie
Institutionen der Universität: Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik > Physikalisches Institut > Lehrstuhl Experimentalphysik I - Physik lebender Materie > Lehrstuhl Experimentalphysik I - Physik lebender Materie - Univ.-Prof. Dr. Matthias Weiss
Fakultäten
Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik
Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik > Physikalisches Institut
Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik > Physikalisches Institut > Lehrstuhl Experimentalphysik I - Physik lebender Materie
Sprache: Englisch
Titel an der UBT entstanden: Ja
URN: urn:nbn:de:bvb:703-epub-9356-2
Eingestellt am: 28 Mai 2026 10:46
Letzte Änderung: 28 Mai 2026 10:46
URI: https://epub.uni-bayreuth.de/id/eprint/9356

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