I flussi turbolenti sono caotici ma presentano proprietà statistiche universali. Negli ultimi anni, flussi apparentemente turbolenti sono stati scoperti in fluidi attivi come sospensioni batteriche, monostrati di cellule epiteliali, e miscele di biopolimeri e motori molecolari. In un nuovo studio pubblicato su Fisica della natura , ricercatori dell'Università di Barcellona, L'Università di Princeton e il Collège de France hanno dimostrato che i flussi caotici nei fluidi nematici attivi sono descritti da leggi di scala universali distinte.

La turbolenza è onnipresente in natura, dai flussi di plasma nelle stelle ai flussi atmosferici e oceanici su larga scala sulla Terra, attraverso flussi d'aria causati da un aereo. I flussi turbolenti sono caotici, creando vortici che appaiono e si rompono costantemente in vortici più piccoli. Però, quando questo complesso comportamento caotico è considerato in senso statistico, la turbolenza segue le leggi di scala universali. Ciò significa che le proprietà statistiche della turbolenza sono indipendenti sia nel modo in cui si generano i flussi turbolenti, e le proprietà del fluido specifico che osserviamo, come la sua viscosità e densità.

Nello studio ora pubblicato in Fisica della natura , i ricercatori hanno rivisitato questa nozione di universalità nel contesto dei fluidi attivi. In turbolenza attiva, flussi e vortici non sono generati dall'azione di qualche agente esterno (come i gradienti di temperatura nell'atmosfera) ma piuttosto dal fluido attivo stesso. La natura attiva di questi fluidi si basa sulla loro capacità di generare internamente forze, ad esempio a causa del nuoto di batteri o dell'azione di motori molecolari sui biopolimeri.

"Quando queste forze attive sono sufficientemente forti, il fluido inizia a fluire spontaneamente, alimentato dall'energia iniettata dai processi attivi, " spiega Ricard Alert, borsista post-dottorato alla Princeton University. Quando le forze attive sono forti, questi flussi spontanei diventano un miscuglio caotico di vortici autogenerati, ciò che chiamiamo turbolenza attiva.

Gli autori si sono concentrati su un tipo specifico di fluido attivo:cristalli liquidi nematici attivi bidimensionali, che descrivono sistemi sperimentali come monostrati cellulari, e sospensioni di biopolimeri e motori molecolari. Simulazioni su larga scala hanno mostrato che i flussi attivi si organizzano in uno schema disordinato di vortici di dimensioni caratteristiche (Fig. 1, Sinistra). I ricercatori hanno quindi studiato i flussi su scale molto più grandi della dimensione caratteristica dei vortici (Fig. 1, Destra). Hanno scoperto che le proprietà statistiche di questi flussi su larga scala seguono una legge di scala distinta.

"Abbiamo dimostrato che questa legge di scala è universale, indipendente dalle proprietà specifiche del fluido attivo, " sottolinea il professor Jaume Casademunt dell'Istituto dei sistemi complessi (UBICS) dell'Università di Barcellona. Questa legge di scala è l'equivalente nei fluidi nematici attivi della legge di scala del 1941 di Andrei Kolmogorov per la turbolenza classica, ma con un diverso esponente che risulta dalla combinazione di flussi viscosi privi di inerzia e interni, forzatura auto-organizzata di fluidi attivi.

Un altro risultato sorprendente di questa ricerca è che tutta l'energia che viene iniettata dalle forze attive su una data scala viene dissipata dagli effetti viscosi su quella stessa scala. Come conseguenza, in netto contrasto con la classica turbolenza, non è rimasta energia da trasferire ad altre scale. "Sia nelle simulazioni che analiticamente, i ricercatori hanno dimostrato che un fluido nematico attivo minimo si auto-organizza in modo tale che l'iniezione di energia attiva bilancia esattamente la dissipazione di energia ad ogni scala, " conclude Jean-François Joanny, del Collegio di Francia.