Turbulenta flöden är kaotiska men har universella statistiska egenskaper. Under de senaste åren har till synes turbulenta flöden har upptäckts i aktiva vätskor som bakteriesuspensioner, monolager av epitelceller, och blandningar av biopolymerer och molekylära motorer. I en ny studie publicerad i Naturfysik , forskare från universitetet i Barcelona, Princeton University och Collège de France har visat att de kaotiska flödena i aktiva nematiska vätskor beskrivs av distinkta universella skalningslagar.

Turbulens är allestädes närvarande i naturen, från plasmaflöden i stjärnor till storskaliga atmosfäriska och oceaniska flöden på jorden, genom luftflöden orsakade av ett flygplan. Turbulenta flöden är kaotiska, skapar virvlar som hela tiden uppstår och bryter upp i mindre virvlar. Dock, när detta komplexa kaotiska beteende betraktas i statistisk mening, turbulens följer universella skalningslagar. Detta innebär att de statistiska egenskaperna för turbulens är oberoende av både det sätt på vilket turbulenta flöden genereras, och egenskaperna hos den specifika vätskan som vi tittar på, såsom dess viskositet och densitet.

I studien som nu publiceras i Naturfysik , forskare har återupptagit denna uppfattning om universalitet i samband med aktiva vätskor. I aktiv turbulens, flöden och virvlar genereras inte av inverkan av något externt medel (som temperaturgradienter i atmosfären) utan snarare av den aktiva vätskan i sig. Den aktiva naturen hos dessa vätskor är beroende av deras förmåga att internt generera krafter, till exempel på grund av bakteriers simning eller påverkan av molekylära motorer på biopolymerer.

"När dessa aktiva krafter är tillräckligt starka, vätskan börjar spontant flöda, drivs av energin som injiceras av de aktiva processerna, " förklarar Ricard Alert, postdoktor vid Princeton University. När aktiva krafter är starka, dessa spontana flöden blir en kaotisk blandning av självgenererade virvlar – det vi kallar aktiv turbulens.

Författarna fokuserade på en specifik typ av aktiv vätska:tvådimensionella aktiva nematiska flytande kristaller, som beskriver experimentella system som cellmonoskikt, och suspensioner av biopolymerer och molekylära motorer. Storskaliga simuleringar visade att de aktiva flödena organiserar sig i ett oordnat mönster av virvlar av en karakteristisk storlek (Fig. 1, Vänster). Forskarna studerade sedan flödena i mycket större skala än den karakteristiska storleken på virvlarna (Fig. 1, Höger). De fann att de statistiska egenskaperna hos dessa storskaliga flöden följer en distinkt skalningslag.

"Vi visade att denna skalningslag är universell, oberoende av den aktiva vätskans specifika egenskaper, " påpekar professor Jaume Casademunt från Institutet för komplexa system (UBICS) vid universitetet i Barcelona. Denna skalningslag är motsvarigheten i aktiva nematiska vätskor till Andrei Kolmogorovs skalningslag från 1941 för klassisk turbulens, men med en annan exponent som är resultatet av kombinationen av tröghetslösa viskösa flöden och de inre, självorganiserad forcering av aktiva vätskor.

Ett annat slående resultat av denna forskning är att all energi som injiceras av de aktiva krafterna i en given skala försvinner av viskösa effekter i samma skala. Som en konsekvens, i skarp kontrast till klassisk turbulens, ingen energi finns kvar för att överföras till andra vågar. "Både i simuleringar och analytiskt, forskare visade att en minimal aktiv nematisk vätska självorganiserar sig på ett sätt så att den aktiva energiinjektionen exakt balanserar energiförlusten på varje skala, avslutar Jean-François Joanny, från Collège de France.