Bloed, lymfevocht en andere biologische vloeistoffen kunnen verrassende en soms verontrustende eigenschappen hebben. Veel van deze biologische oplossingen zijn niet-Newtoniaanse vloeistoffen, een soort vloeistof die wordt gekenmerkt door een niet-lineaire relatie tussen spanning en rek. Bijgevolg gedragen niet-Newtoniaanse vloeistoffen zich niet noodzakelijkerwijs zoals je van een vloeistof zou verwachten. Sommige van deze bijzondere vloeistoffen vervormen bijvoorbeeld bij lichte aanraking, maar gedragen zich bijna als een vaste stof als er een sterke kracht op wordt uitgeoefend.

En biologische oplossingen vormen daarop geen uitzondering als het gaat om unieke eigenschappen, waaronder elastische turbulentie. Een term die de chaotische vloeistofbeweging beschrijft die het gevolg is van het toevoegen van polymeren in kleine concentraties aan waterige vloeistoffen. Dit soort turbulentie komt alleen voor in niet-Newtonse vloeistoffen.

De tegenhanger ervan is klassieke turbulentie, die voorkomt in Newtoniaanse vloeistoffen, bijvoorbeeld in een rivier wanneer het water met hoge snelheid langs de pijler van een brug stroomt. Hoewel er wiskundige theorieën bestaan ​​om klassieke turbulentie te beschrijven en te voorspellen, wacht elastische turbulentie nog steeds op dergelijke hulpmiddelen, ondanks hun belang voor biologische monsters en industriële toepassingen.

"Dit fenomeen is belangrijk in de microfluïdica, bijvoorbeeld bij het mengen van kleine volumes polymere oplossingen, wat moeilijk kan zijn. Ze mengen niet goed vanwege de zeer soepele stroming", legt prof. Marco Edoardo Rosti uit, hoofd van de afdeling Complex Fluids and Flows. Eenheid.

Tot nu toe hebben wetenschappers gedacht dat elastische turbulentie compleet anders is dan klassieke turbulentie, maar de publicatie van het Lab in het tijdschrift Nature Communications zou deze visie kunnen veranderen. Onderzoekers van OIST werkten samen met wetenschappers van TIFR in India en NORDITA in Zweden om te onthullen dat elastische turbulentie meer gemeen heeft met klassieke Newtoniaanse turbulentie dan verwacht.

"Onze resultaten laten zien dat elastische turbulentie een universeel machtswetverval van energie kent en een tot nu toe onbekend intermitterend gedrag. Deze bevindingen stellen ons in staat om het probleem van elastische turbulentie vanuit een nieuwe invalshoek te bekijken", legt prof. Rosti uit. Bij het beschrijven van een stroming gebruiken wetenschappers vaak een snelheidsveld. "We kunnen kijken naar de verdeling van snelheidsschommelingen om statistische voorspellingen te doen over de stroming", zegt Dr. Rahul K. Singh, de eerste auteur van de publicatie.

Bij het bestuderen van klassieke Newtoniaanse turbulentie meten onderzoekers de snelheid over de gehele stroom en gebruiken ze het verschil tussen twee punten om een ​​snelheidsverschilveld te creëren.

"Hier meten we de snelheid op drie punten en berekenen de tweede verschillen. Eerst wordt een verschil berekend door de vloeistofsnelheden gemeten op twee verschillende punten af ​​te trekken. Vervolgens trekken we twee van dergelijke eerste verschillen nogmaals af, wat ons het tweede verschil oplevert", legt Dr. . Singh.

Dit soort onderzoek bracht een extra uitdaging met zich mee:het uitvoeren van deze complexe simulaties vereist de kracht van geavanceerde supercomputers. "Onze simulaties duren soms vier maanden en leveren een enorme hoeveelheid gegevens op", zegt prof. Rosti.

Dit extra detailniveau leidde tot een verrassende bevinding:dat het snelheidsveld bij elastische turbulentie intermitterend is. Om te illustreren hoe de onderbreking in de bloedstroom eruit ziet, gebruikt Dr. Singh het elektrocardiogram (ECG) als voorbeeld.

"Bij een ECG-meting vertoont het signaal kleine fluctuaties die worden onderbroken door zeer scherpe pieken. Deze plotselinge grote uitbarsting wordt intermitterend genoemd", zegt Dr. Singh.

In klassieke vloeistoffen waren dergelijke fluctuaties tussen kleine en zeer grote waarden al beschreven, maar alleen voor turbulentie die optreedt bij hoge stroomsnelheden. De onderzoekers waren verrast toen ze nu hetzelfde patroon ontdekten in elastische turbulentie die optreedt bij zeer kleine stroomsnelheden. "Bij deze lage snelheden hadden we niet verwacht zulke sterke fluctuaties in het snelheidssignaal te vinden", zegt Dr. Singh.

Hun bevindingen zijn niet alleen een grote stap in de richting van een beter begrip van de fysica achter turbulentie bij lage snelheid, maar leggen ook de basis voor het ontwikkelen van een complete wiskundige theorie die elastische turbulentie beschrijft. "Met een perfecte theorie zouden we voorspellingen kunnen doen over de stroming en apparaten kunnen ontwerpen die het mengen van vloeistoffen kunnen veranderen. Dit kan handig zijn bij het werken met biologische oplossingen", zegt prof. Rosti.