Trapping of single diffusing particles by a circular disk on a reflecting flat surface. Absorbing hemisphere approximation

文献情報

出版日 2022-12-22
DOI 10.1039/D2CP04357B
インパクトファクター 3.676
著者

Leonardo Dagdug, Alexander M. Berezhkovskii, Sergey M. Bezrukov


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要旨

Recent progress in biophysics (for example, in studies of chemical sensing and spatiotemporal cell-signaling) poses new challenges to statistical theory of trapping of single diffusing particles. Here we deal with one of them, namely, trapping kinetics of single particles diffusing in a half-space bounded by a reflecting flat surface containing an absorbing circular disk. This trapping problem is essentially two-dimensional and the question of the angular dependence of the kinetics on the particle starting point is highly nontrivial. We propose an approximate approach to the problem that replaces the absorbing disk by an absorbing hemisphere of a properly chosen radius. This replacement makes the problem angular-independent and essentially one-dimensional. After the replacement one can find an exact solution for the particle propagator (Green's function) that allows one to completely characterize the kinetics. Extensive testing of the theoretical predictions based on the absorbing hemisphere approximation against three-dimensional Brownian dynamics simulations shows excellent agreement between the analytical and simulation results when the particle starts sufficiently far away from the disk. Our approach fails and the angular dependence of the kinetics is important when the distance of the particle starting point from the disk center is comparable with the disk radius. However, even when the initial distance is only two disk radii, the maximum relative error of the theoretical predictions is about 10%. The relative error rapidly decreases as the initial distance increases.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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