Turbulente stromen zijn chaotisch maar hebben universele statistische eigenschappen. schijnbaar turbulente stromingen zijn ontdekt in actieve vloeistoffen zoals bacteriesuspensies, epitheelcel monolagen, en mengsels van biopolymeren en moleculaire motoren. In een nieuwe studie gepubliceerd in Natuurfysica , onderzoekers van de Universiteit van Barcelona, Princeton University en Collège de France hebben aangetoond dat de chaotische stromen in actieve nematische vloeistoffen worden beschreven door verschillende universele schaalwetten.

Turbulentie is alomtegenwoordig in de natuur, van plasmastromen in sterren tot grootschalige atmosferische en oceanische stromen op aarde, door luchtstromen veroorzaakt door een vliegtuig. Turbulente stromen zijn chaotisch, het creëren van wervelingen die verschijnen en constant in kleinere wervelingen breken. Echter, wanneer dit complexe chaotische gedrag in statistische zin wordt beschouwd, turbulentie volgt universele schaalwetten. Dit betekent dat de statistische eigenschappen van turbulentie onafhankelijk zijn in zowel de manier waarop turbulente stromingen worden gegenereerd, en de eigenschappen van de specifieke vloeistof waar we naar kijken, zoals de viscositeit en dichtheid.

In de studie die nu is gepubliceerd in Natuurfysica , onderzoekers hebben dit idee van universaliteit herzien in de context van actieve vloeistoffen. In actieve turbulentie, stromen en wervelingen worden niet gegenereerd door de werking van een extern agens (zoals temperatuurgradiënten in de atmosfeer), maar eerder door de actieve vloeistof zelf. De actieve aard van deze vloeistoffen is afhankelijk van hun vermogen om intern krachten op te wekken, bijvoorbeeld door het zwemmen van bacteriën of de inwerking van moleculaire motoren op biopolymeren.

"Als deze actieve krachten voldoende sterk zijn, de vloeistof begint spontaan te stromen, aangedreven door de energie die wordt geïnjecteerd door de actieve processen, " legt Ricard Alert uit, postdoctoraal onderzoeker aan de Princeton University. Wanneer actieve krachten sterk zijn, deze spontane stromen worden een chaotische mix van zelf gegenereerde wervelingen - wat we actieve turbulentie noemen.

De auteurs concentreerden zich op een specifiek type actieve vloeistof:tweedimensionale actieve nematische vloeibare kristallen, die experimentele systemen beschrijven zoals celmonolagen, en suspensies van biopolymeren en moleculaire motoren. Grootschalige simulaties toonden aan dat de actieve stromen zich organiseren in een ongeordend patroon van wervelingen van een karakteristieke grootte (Fig. 1, Links). De onderzoekers bestudeerden vervolgens de stromen op veel grotere schaal dan de karakteristieke grootte van de wervelingen (Fig. 1, Rechts). Ze ontdekten dat de statistische eigenschappen van deze grootschalige stromen een duidelijke schaalwet volgen.

"We hebben laten zien dat deze schaalwet universeel is, onafhankelijk van de specifieke eigenschappen van de actieve vloeistof, " wijst professor Jaume Casademunt van het Institute of Complex Systems (UBICS) van de Universiteit van Barcelona aan. Deze schalingswet is het equivalent in actieve nematische vloeistoffen van Andrei Kolmogorovs schalingswet uit 1941 voor klassieke turbulentie, maar met een andere exponent die het resultaat is van de combinatie van traagheidsloze viskeuze stromen en de interne, zelfgeorganiseerd forceren van actieve vloeistoffen.

Een ander opvallend resultaat van dit onderzoek is dat alle energie die wordt geïnjecteerd door de actieve krachten op een bepaalde schaal wordt afgevoerd door viskeuze effecten op diezelfde schaal. Als gevolg hiervan, in schril contrast met klassieke turbulentie, er blijft geen energie over om naar andere schalen te worden overgebracht. "Zowel in simulaties als analytisch, onderzoekers hebben aangetoond dat een minimale actieve nematische vloeistof zichzelf zodanig organiseert dat de actieve energie-injectie de energiedissipatie op elke schaal precies in evenwicht houdt, " concludeert Jean-François Joanny, van het Collège de France.