การซึมผ่าน

ในฟิสิกส์เคมีและวิทยาศาสตร์วัสดุ การซึมผ่าน ( จากภาษาละตินpercolare ' กรอง, ไหลผ่าน'ซึ่งบัญญัติขึ้นในทศวรรษ 1840 โดยเอ็ดเวิร์ด ลอยเซล ) หมายถึงการเคลื่อนที่และการกรองของของเหลวผ่านวัสดุที่มีรูพรุน ซึ่งไม่สามารถอธิบายได้ด้วยกฎของดาร์ซีต่อมาได้มีการพัฒนาการประยุกต์ใช้ที่กว้างขึ้นซึ่งครอบคลุมการเชื่อมต่อของระบบต่างๆ มากมายที่จำลองเป็นโครงข่ายหรือกราฟ คล้ายกับการเชื่อมต่อของส่วนประกอบโครงข่ายในปัญหาการกรองที่ปรับเปลี่ยนความสามารถในการซึมผ่าน

พื้นหลัง

ต้นกำเนิด

ในยุโรปตะวันตก การกรองเป็นกระบวนการที่คิดค้นขึ้นอย่างเป็นทางการในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการวิจัยวิธีการสกัดสารเภสัชกรรมและสารยา การมีส่วนร่วมที่สำคัญเกิดขึ้นโดยJöns Jacob Berzeliusเคานต์แห่ง Real และ Pierre - François-Guillaume Boullayซึ่งโดยทั่วไปเรียกกระบวนการนี้ว่า "การแทนที่" ^{[ 1 ]}ในปี พ.ศ. 2388 Edward Loyselได้บัญญัติศัพท์นี้และทำให้เป็นที่นิยมด้วยเครื่องชงกาแฟของเขา^{[ 2 ]}

ประวัติศาสตร์ล่าสุด

ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมาทฤษฎีการซึมผ่านซึ่งเป็นการศึกษาทางคณิตศาสตร์เกี่ยวกับการซึมผ่าน ได้นำความเข้าใจและเทคนิคใหม่ๆ มาสู่หัวข้อต่างๆ มากมายในสาขาฟิสิกส์ วิทยาศาสตร์วัสดุเครือข่ายที่ซับซ้อน ระบาดวิทยาและสาขาอื่นๆ ตัวอย่างเช่น ในธรณีวิทยาการซึมผ่านหมายถึงการกรองน้ำผ่านดินและหินที่มีรูพรุน น้ำจะไหลไปเติมเต็มแหล่งน้ำใต้ดินในระดับน้ำบาดาลและชั้นหินอุ้มน้ำในสถานที่ ที่วางแผนจะสร้าง บ่อซึมหรือบ่อบำบัดน้ำเสียเพื่อกำจัดน้ำปริมาณมาก จำเป็นต้องมี การทดสอบการซึมผ่านล่วงหน้าเพื่อพิจารณาว่าโครงสร้างที่ตั้งใจไว้นั้นมีแนวโน้มที่จะประสบความสำเร็จหรือล้มเหลว ในการซึมผ่านบนโครงข่ายสี่เหลี่ยมจัตุรัสสองมิติ นิยามได้ดังนี้ พื้นที่หนึ่ง "ถูกครอบครอง" ด้วยความน่าจะเป็น p หรือ "ว่างเปล่า" (ในกรณีนี้ขอบของพื้นที่นั้นจะถูกลบออก) ด้วยความน่าจะเป็น 1 – p ปัญหาที่เกี่ยวข้องเรียกว่าการซึมผ่านของพื้นที่ ดูรูปที่ 2

โดยทั่วไปแล้ว ปรากฏการณ์การซึมผ่าน (Percolation) แสดงให้เห็นถึงความเป็นสากล แนวคิด ทางฟิสิกส์เชิงสถิติเช่น ทฤษฎีการปรับขนาด (Scaling Theory), การปรับค่าใหม่ (Renormalization) , การเปลี่ยนเฟส (Phase Transition) , ปรากฏการณ์วิกฤต (Critical Phenomenon)และแฟรกทัล (Fractals)ถูกนำมาใช้เพื่ออธิบายคุณสมบัติของการซึม ผ่าน ส่วนคณิตศาสตร์เชิงการ จัดเรียง (Combinatorics)มักถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาเกณฑ์การซึมผ่าน

เนื่องจากความซับซ้อนในการได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำจากแบบจำลองเชิงวิเคราะห์ของการซึมผ่าน จึงมักใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ อัลกอริทึมที่เร็วที่สุดในปัจจุบันสำหรับการซึมผ่านได้รับการเผยแพร่ในปี 2000 โดยMark Newmanและ Robert Ziff ^{[ 3 ]}

ตัวอย่าง

กระบวนการสกัดกาแฟโดยการกรอง (ดูรูปที่ 1) โดยมีน้ำเป็นตัวทำละลาย กากกาแฟเป็นสารที่ซึมผ่านได้ และสารประกอบทางเคมีที่ละลายได้คือสารที่ให้สี รสชาติ และกลิ่นหอมแก่กาแฟ
การเคลื่อนตัวของวัสดุที่ผุกร่อนลงมาตามเนินลาดใต้พื้นผิวโลก
การแตกร้าวของต้นไม้เกิดขึ้นจากสองปัจจัย คือ แสงแดดและแรงกดดัน
การยุบตัวและความแข็งแกร่งของเปลือกไวรัสชีวภาพต่อการกำจัดหน่วยย่อยแบบสุ่ม (การแตกตัวของไวรัสที่ได้รับการตรวจสอบทางทดลอง) ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}
การขนส่งในตัวกลางที่มีรูพรุน
การแพร่กระจายของโรค^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}
การทำให้พื้นผิวหยาบขึ้น
การซึมผ่านของน้ำยาบ้วนปาก ทำให้เกิดฟันผุใต้ครอบฟันมากขึ้น เนื่องจากสภาพแวดล้อมที่เอื้อต่อการเจริญเติบโตของแบคทีเรียสเตรปโตค็อกคัสกลายพันธุ์และแลคโตบาซิลลัส
การทดสอบความซึมผ่านของดิน ( perc test ) จะช่วยตรวจสอบพื้นที่ที่เหมาะสมสำหรับการติดตั้งระบบบำบัดน้ำเสีย ตัวอย่าง/ทฤษฎี: ขุดหลุม (โดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6-10 นิ้ว) บนผิวดิน (โดยทั่วไปลึก 12-24 นิ้ว) เติมน้ำลงในหลุม และวัดเวลาจนกว่าระดับน้ำจะลดลง 1 นิ้ว หากระดับน้ำลดลงอย่างรวดเร็ว ดังที่มักพบในดินทรายที่มีการเรียงตัวของเม็ดดินไม่ดี แสดงว่าพื้นที่นั้นอาจเหมาะสมสำหรับการติดตั้ง " สนามซึม " ของระบบบำบัดน้ำเสีย แต่หากค่าการนำไฟฟ้าของดินต่ำ (โดยทั่วไปในดินเหนียวและดินร่วน) แสดงว่าพื้นที่นั้นไม่เหมาะสม

ดูเพิ่มเติม

อ่านเพิ่มเติม

Kesten, Harry ; "การซึมผ่านคืออะไร?" , ในNotices of the AMS , พฤษภาคม 2549.
Sahimi, Muhammad; การประยุกต์ใช้ทฤษฎีการซึมผ่าน , Taylor & Francis, 1994. ISBN 0-7484-0075-3(ปกแข็ง), ISBN 0-7484-0076-1(กระดาษ).
กริมเม็ตต์, เจฟฟรีย์ ; การซึมผ่าน (ฉบับที่ 2).สปริงเกอร์ เวอร์แลก, 1999.
Stauffer, Dietrichและ Aharony, Ammon; บทนำสู่ทฤษฎีการซึมผ่าน , Taylor & Francis, 1994, ฉบับแก้ไขครั้งที่สอง, ISBN 9780748402533.
Kirkpatrick, Scott; "การซึมผ่านและการนำความร้อน"ในReviews of Modern Physics , 45, 574, 1973
โรดริเกส, เอดัวร์; คุณสมบัติที่น่าทึ่งของหมากเบี้ยบนกระดานหกเหลี่ยมเก็บถาวรเมื่อ 2021-12-09 ที่Wayback Machine
Bollobás, Béla ; Riordan, Oliver ; Percolation , Cambridge University Press, 2006, ISBN 0521872324.
กริมเม็ตต์, เจฟฟรีย์; การซึมผ่าน , สปริงเกอร์, 1999

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]