Turbulenzen sind in der Natur allgegenwärtig, aber erst jetzt wurde die universelle Natur aktiver Turbulenzen enthüllt!

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Turbulente Strömungen sind chaotisch, weisen jedoch universelle statistische Eigenschaften auf. In den letzten Jahren wurden scheinbar turbulente Strömungen in aktiven Flüssigkeiten wie Bakteriensuspensionen, Epithelzellmonoschichten, Biopolymeren und Mischungen molekularer Motoren entdeckt. In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler der Universität Barcelona, ​​der Princeton University und der Ecole Polytechnique in Frankreich entdeckt, dass chaotische Strömungen in aktiven nematischen Flüssigkeiten durch einzigartige universelle Skalierungsgesetze beschrieben werden können.

Turbulenzen sind in der Natur allgegenwärtig, von Plasmaströmen in Sternen über großräumige atmosphärische und ozeanische Strömungen auf der Erde bis hin zu von Flugzeugen verursachten Luftströmungen. Turbulenzen sind chaotisch, sie werden ständig erzeugt und zerfallen in kleinere Wirbel. Betrachtet man dieses komplexe chaotische Verhalten jedoch im statistischen Sinne, gehorcht die Turbulenz universellen Skalierungsgesetzen. Dies bedeutet, dass die statistischen Eigenschaften der Turbulenz unabhängig davon sind, wie die Turbulenz erzeugt wird und welche Eigenschaften die jeweilige beobachtete Flüssigkeit hat, beispielsweise ihre Viskosität und Dichte.

Die Wissenschaftler betrachteten dieses universelle Konzept im Zusammenhang mit aktiver Turbulenz erneut, bei der Strömungen und Wirbel nicht durch externe Faktoren (wie etwa Temperaturgradienten in der Atmosphäre), sondern durch die aktive Flüssigkeit selbst erzeugt werden. Die aktiven Eigenschaften dieser Flüssigkeiten hängen von ihrer Fähigkeit ab, in ihrem Inneren Kräfte zu erzeugen, beispielsweise durch das Schwimmen von Bakterien oder die Wirkung molekularer Motoren auf Biopolymere. „Wenn diese aktiven Kräfte stark genug sind, beginnt die Flüssigkeit spontan zu fließen, angetrieben durch die Energie, die durch die aktiven Prozesse zugeführt wird“, erklärte der Hauptautor Rickard Alter, ein Postdoktorand an der Princeton University.

Bei starken Spannungen werden diese spontanen Strömungen zu einer chaotischen Mischung selbsterzeugter Wirbel, die als aktive Turbulenz bezeichnet wird. Die Forscher konzentrierten sich auf einen bestimmten Typ aktiver Flüssigkeit: zweidimensionale aktive nematische Flüssigkristalle. Es beschreibt experimentelle Systeme wie Zellmonoschichten sowie Suspensionen von Biopolymeren und molekularen Motoren. Groß angelegte Simulationen zeigen, dass aktive Strömungen in einem ungeordneten Wirbelmuster charakteristischer Größe organisiert sind. Es wurden Strömungen untersucht, die viel größer waren als die charakteristische Größe der Wirbel. Dabei stellte sich heraus, dass die statistischen Eigenschaften dieser großräumigen Strömungen klaren Skalierungsgesetzen folgen.

„Wir zeigen, dass dieses Skalierungsgesetz universell und unabhängig von den spezifischen Eigenschaften der aktiven Flüssigkeit ist“, sagte Professor Jaume Casademut vom Institute of Complex Systems (UBICS) der Universität Barcelona. Dieses Skalierungsgesetz in mobilen nematischen Flüssigkeiten entspricht dem Skalierungsgesetz der klassischen Turbulenz von Andrei Kolmogorov aus dem Jahr 1941, jedoch mit einem anderen Exponenten. Dies ist das Ergebnis der kombinierten Effekte der trägheitsfreien viskosen Strömung und der selbstorganisierenden Kräfte innerhalb der bewegten Flüssigkeit.

Ein weiteres bemerkenswertes Ergebnis dieser Forschung besteht darin, dass in einem gegebenen Maßstab die gesamte durch die aktive Kraft eingebrachte Energie durch Viskositätseffekte im gleichen Maßstab abgeführt wird. Daher kann im Gegensatz zur klassischen Turbulenz keine Energie auf andere Skalen übertragen werden. Sowohl in Simulationen als auch in Analysen zeigten die Forscher, dass sich eine minimale aktive nematische Flüssigkeit so selbst organisiert, dass die aktive Energiezufuhr die Energiedissipation auf jeder Skala präzise ausgleicht.

Bo Ke Yuan | Forschung/Von: Universität Barcelona

Referenzzeitschrift Nature Physics

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