Forskere afslører de universelle egenskaber ved aktiv turbulens

Turbulente strømme er kaotiske, men har alligevel universelle statistiske egenskaber. I løbet af de seneste år har tilsyneladende turbulente strømme er blevet opdaget i aktive væsker såsom bakteriesuspensioner, epitelcellemonolag, og blandinger af biopolymerer og molekylære motorer. I en ny undersøgelse offentliggjort i Naturfysik , forskere fra universitetet i Barcelona, Princeton University og Collège de France har vist, at de kaotiske strømme i aktive nematiske væsker er beskrevet af forskellige universelle skaleringslove.

Turbulens er allestedsnærværende i naturen, fra plasmastrømme i stjerner til store atmosfæriske og oceaniske strømme på Jorden, gennem luftstrømme forårsaget af et fly. Turbulente strømme er kaotiske, skabe hvirvler, der vises og bryder konstant ind i mindre hvirvler. Imidlertid, når denne komplekse kaotiske adfærd betragtes i statistisk forstand, turbulens følger universelle skaleringslove. Det betyder, at de statistiske egenskaber ved turbulens er uafhængige i både den måde, hvorpå turbulente strømme genereres, og egenskaberne af den specifikke væske, vi ser på, såsom dens viskositet og densitet.

I undersøgelsen nu offentliggjort i Naturfysik , forskere har genbesøgt denne forestilling om universalitet i forbindelse med aktive væsker. I aktiv turbulens, strømme og hvirvler genereres ikke af virkningen af ​​et eksternt middel (såsom temperaturgradienter i atmosfæren), men derimod af selve det aktive væske. Disse væskers aktive natur er afhængig af deres evne til internt at generere kræfter, for eksempel på grund af svømning af bakterier eller molekylære motorers virkning på biopolymerer.

"Når disse aktive kræfter er tilstrækkeligt stærke, væsken begynder at flyde spontant, drevet af energien injiceret af de aktive processer, "forklarer Ricard Alert, postdoktor ved Princeton University. Når aktive kræfter er stærke, disse spontane strømme bliver til en kaotisk blanding af selvgenererede virvler-det vi kalder aktiv turbulens.

Forfatterne fokuserede på en bestemt type aktiv væske:todimensionale aktive nematiske flydende krystaller, som beskriver eksperimentelle systemer såsom cellemonolag, og suspensioner af biopolymerer og molekylære motorer. Store simuleringer viste, at de aktive strømme organiseres i et uordentligt mønster af hvirvler af en karakteristisk størrelse (fig. 1, Venstre). Forskerne studerede derefter strømningerne i meget større skalaer end den karakteristiske størrelse af hvirvlerne (fig. 1, Ret). De fandt ud af, at de statistiske egenskaber ved disse store strømninger følger en tydelig skaleringslov.

"Vi viste, at denne skaleringslov er universel, uafhængigt af de specifikke egenskaber ved det aktive væske, "påpeger professor Jaume Casademunt fra Institute of Complex Systems (UBICS) ved University of Barcelona. Denne skaleringslov er ækvivalent i aktive nematiske væsker til Andrei Kolmogorovs skaleringslov fra 1941 for klassisk turbulens, men med en anden eksponent, der skyldes kombinationen af ​​inerti-mindre viskøse strømme og den indre, selvorganiseret tvang af aktive væsker.

Et andet slående resultat af denne forskning er, at al den energi, der injiceres af de aktive kræfter i en given skala, spredes af viskøse effekter i samme skala. Som en konsekvens, i skarp kontrast til klassisk turbulens, ingen energi er tilbage til at blive overført til andre skalaer. "Både i simuleringer og analytisk, forskere har bevist, at en minimal aktiv nematisk væske selvorganiserer sig på en sådan måde, at den aktive energiindsprøjtning nøjagtigt balancerer energispild i hver skala, "slutter Jean-François Joanny, fra Collège de France.