Non-Markovian Diffusion Imaging

非马尔可夫扩散成像

基本信息

  • 批准号:
    2002313
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 39.99万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-09-01 至 2024-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

With support from the Chemical Measurement & Imaging program and co-funding from the Atomic, Molecular, and Optical Physics - Experiment and Theory programs, Professor Bouchard at the University of California, Los Angeles is developing new methods to study gaseous diffusion - the random motions of molecules in gases. In traditional models of these processes, a snapshot (state) at any given moment is assumed to be independent of past collisions between molecules swimming in the gas. However, if the picture can be taken quickly enough, it is possible to detect molecules’ "memory" of collisions from the recent past, and thus to investigate the nature of surfaces encountered by the molecules. Dr. Bouchard's group is developing both experimental methods and the underlying theory to advance understanding in systems (e.g., catalysts and lungs) where the memory of these collisions are important. They use nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, the tool at the heart of Magnetic Resonance Imaging (MRI, an important medical diagnostic tool) which avoids the use of harmful ionizing radiation like x-rays. Graduate and undergraduate students engaged in this research receive broad interdisciplinary training, and contribute to the development of relevant introductory chemistry materials that will be made freely available to the public. Self-diffusion in a dense gas of neutral molecules is non-Markovian and must be modeled by a Langevin equation with memory kernel. The Bouchard group has obtained experimental NMR spectroscopy results that are consistent with a generalized Langevin description, as confirmed by an unexpected temperature dependence of the NMR linewidth as well as dependence on inter-pulse spacing during Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) experiments. While the new theory describes the results of free self-diffusion well, the diffusion behavior in the presence of boundaries has not yet been explored. Dr. Bouchard is now probing restricted diffusion in porous media possessing various types of boundaries, and developing new extensions of the underlying theory based on the stochastic calculus of bounded diffusions (sticky, reflecting, killing, and absorbing boundaries). The new NMR-based methods may shed new light into the kinetic theory of gases, benefitting chemical physics and medical imaging by offering new tools to extract information about pore structure and function in media such as porous rocks, soils, or lungs. The tools also show promise for both characterization of catalytically reactive surfaces and mass transport during reactions and provision of a better understanding of hyperpolarized gas MRI. Educational impacts will derive from the training and active participation of multiple students in the research as well as the creation of free online educational course materials disseminated via the institution's web site.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
在化学测量成像项目的支持下,以及原子、分子和光学物理-实验和理论项目的共同资助下,加州大学洛杉矶分校的布沙尔教授正在开发研究气体扩散的新方法-气体中分子的随机运动。在这些过程的传统模型中,任何给定时刻的快照(状态)都被假设为与气体中游动的分子之间过去的碰撞无关。然而,如果照片拍摄得足够快,就有可能检测到分子对最近碰撞的“记忆”,从而研究分子遇到的表面的性质。 布沙尔博士的小组正在开发实验方法和基础理论,以促进对系统的理解(例如,催化剂和肺),其中这些碰撞的记忆是重要的。 他们使用核磁共振(NMR)光谱,这是磁共振成像(MRI,一种重要的医疗诊断工具)的核心工具,它避免了使用有害的电离辐射,如X射线。 从事这项研究的研究生和本科生接受广泛的跨学科培训,并有助于开发相关的介绍性化学材料,这些材料将免费提供给公众。 中性分子稠密气体中的自扩散是非马尔可夫的,必须用带记忆核的朗之万方程来模拟。Bouchard小组已经获得了实验NMR光谱结果,这些结果与广义Langevin描述一致,正如Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)实验期间NMR线宽的意外温度依赖性以及对脉冲间间隔的依赖性所证实的那样。虽然新理论很好地描述了自由自扩散的结果,但尚未探索存在边界时的扩散行为。 Bouchard博士现在正在探索具有各种类型边界的多孔介质中的受限扩散,并基于有界扩散的随机微积分(粘性,反射,杀死和吸收边界)开发基础理论的新扩展。新的基于NMR的方法可能会为气体的动力学理论带来新的启发,通过提供新的工具来提取有关多孔岩石,土壤或肺部等介质中孔隙结构和功能的信息,从而使化学物理和医学成像受益。这些工具还显示出对催化反应表面和反应过程中的质量传输的表征以及对超极化气体MRI的更好理解的承诺。 教育影响将来自于多名学生的培训和积极参与研究,以及通过机构网站传播的免费在线教育课程材料的创建。该奖项反映了NSF的法定使命,并被认为值得通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估来支持。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Nuclear induction lineshape modeling via hybrid SDE and MD approach
通过混合 SDE 和 MD 方法进行核感应线形建模
  • DOI:
    10.1063/5.0163782
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Niknam, Mohamad;Bouchard, Louis-S.
  • 通讯作者:
    Bouchard, Louis-S.
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    Vincent L. Oliva
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  • 通讯作者:
    Raymond Cartier
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    10.1016/j.jvs.2016.02.023
  • 发表时间:
    2016-06-01
  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    Gilles Soulez

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  • 资助金额:
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