Blod, lymfvätska och andra biologiska vätskor kan ha överraskande och ibland besvärande egenskaper. Många av dessa biologiska lösningar är icke-newtonska vätskor, en typ av vätska som kännetecknas av ett icke-linjärt samband mellan stress och töjning. Följaktligen beter sig icke-newtonska vätskor inte nödvändigtvis som man kan förvänta sig av en vätska. Till exempel deformeras några av dessa märkliga vätskor vid lätt beröring men kommer att fungera nästan som ett fast material när en stark kraft appliceras.
Och biologiska lösningar är inget undantag när det kommer till unika egenskaper – en av dem är elastisk turbulens. En term som beskriver den kaotiska vätskerörelsen som blir resultatet av att tillsätta polymerer i små koncentrationer till vattniga vätskor. Denna typ av turbulens finns endast i icke-newtonska vätskor.
Dess motsvarighet är klassisk turbulens, som uppstår i newtonska vätskor, till exempel i en flod när vattnet i hög hastighet rinner förbi en bros pelare. Det finns matematiska teorier för att beskriva och förutsäga klassisk turbulens, men elastisk turbulens väntar på sådana verktyg trots deras betydelse för biologiska prover och industriella tillämpningar.
"Detta fenomen är viktigt i mikrofluidik, till exempel när man blandar små volymer av polymerlösningar, vilket kan vara svårt. De blandas inte bra på grund av det mycket jämna flödet", förklarar prof. Marco Edoardo Rosti, chef för Complex Fluids and Flows Enhet.
Hittills har forskare tänkt på elastisk turbulens som helt annorlunda än klassisk turbulens, men labbets publikation i tidskriften Nature Communications kan ändra denna uppfattning. Forskare från OIST samarbetade med forskare från TIFR i Indien och NORDITA i Sverige för att avslöja att elastisk turbulens har mer gemensamt med klassisk Newtonsk turbulens än väntat.
"Våra resultat visar att elastisk turbulens har ett universellt kraftlagsförfall av energi och ett hittills okänt intermittent beteende. Dessa fynd gör att vi kan titta på problemet med elastisk turbulens från en ny vinkel", förklarar Prof. Rosti. När de beskriver ett flöde använder forskare ofta ett hastighetsfält. "Vi kan titta på fördelningen av hastighetsfluktuationer för att göra statistiska förutsägelser om flöde", säger Dr. Rahul K. Singh, publikationens första författare.
När man studerar klassisk Newtonsk turbulens mäter forskarna hastighet över hela flödet och använder skillnaden mellan två punkter för att skapa ett hastighetsskillnadsfält.
"Här mäter vi hastighet vid tre punkter och beräknar de andra skillnaderna. Först beräknas en skillnad genom att subtrahera vätskehastigheter uppmätta vid två olika punkter. Vi subtraherar sedan två sådana första skillnader igen, vilket ger oss den andra skillnaden", förklarar Dr. . Singh.
Denna typ av forskning kom med en ytterligare utmaning – att köra dessa komplexa simuleringar kräver kraften hos avancerade superdatorer. "Våra simuleringar pågår ibland i fyra månader och producerar en enorm mängd data", säger Prof. Rosti.
Denna ökade detaljnivå ledde till ett överraskande fynd - att hastighetsfältet i elastisk turbulens är intermittent. För att illustrera hur intermittens i flöde ser ut använder Dr. Singh elektrokardiogrammet (EKG) som exempel.
"I en EKG-mätning har signalen små fluktuationer som avbryts av mycket skarpa toppar. Denna plötsliga stora skur kallas intermittens", säger Dr. Singh.
I klassiska vätskor hade sådana fluktuationer mellan små och mycket stora värden redan beskrivits men endast för turbulens som uppstår vid höga flödeshastigheter. Forskarna blev förvånade över att nu hitta samma mönster i elastisk turbulens som inträffar vid mycket små flödeshastigheter. "Vid dessa låga hastigheter förväntade vi oss inte att hitta så starka fluktuationer i hastighetssignalen", säger Dr. Singh.
Deras resultat är inte bara ett stort steg mot en bättre förståelse av fysiken bakom låghastighetsturbulens utan lägger också grunden för att utveckla en komplett matematisk teori som beskriver elastisk turbulens. "Med en perfekt teori skulle vi kunna göra förutsägelser om flödet och designa enheter som kan ändra blandning av vätskor. Detta kan vara användbart när man arbetar med biologiska lösningar", säger Prof. Rosti.
