Il sangue, il fluido linfatico e altri liquidi biologici possono avere proprietà sorprendenti e talvolta preoccupanti. Molte di queste soluzioni biologiche sono fluidi non newtoniani, un tipo di liquido caratterizzato da una relazione non lineare tra stress e deformazione. Di conseguenza, i fluidi non newtoniani non si comportano necessariamente come ci si aspetterebbe da un liquido. Ad esempio, alcuni di questi particolari fluidi si deformano se toccati leggermente, ma si comportano quasi come un solido quando viene applicata una forza elevata.
E le soluzioni biologiche non fanno eccezione quando si tratta di proprietà uniche, una delle quali è la turbolenza elastica. Termine che descrive il movimento caotico del fluido che risulta dall'aggiunta di polimeri in piccole concentrazioni a liquidi acquosi. Questo tipo di turbolenza esiste solo nei fluidi non newtoniani.
La sua controparte è la turbolenza classica, che si verifica nei fluidi newtoniani, ad esempio in un fiume quando l'acqua ad alta velocità scorre oltre il pilastro di un ponte. Sebbene esistano teorie matematiche per descrivere e prevedere la turbolenza classica, la turbolenza elastica attende ancora tali strumenti nonostante la loro importanza per campioni biologici e applicazioni industriali.
"Questo fenomeno è importante nella microfluidica, ad esempio quando si mescolano piccoli volumi di soluzioni polimeriche che possono essere difficili. Non si mescolano bene a causa del flusso molto regolare", spiega il prof. Marco Edoardo Rosti, responsabile del settore Fluidi e flussi complessi Unità.
Finora, gli scienziati hanno considerato la turbolenza elastica come completamente diversa dalla turbolenza classica, ma la pubblicazione del Laboratorio sulla rivista Nature Communications potrebbe cambiare questa visione. I ricercatori dell'OIST hanno lavorato in collaborazione con scienziati del TIFR in India e del NORDITA in Svezia per rivelare che la turbolenza elastica ha più cose in comune con la turbolenza newtoniana classica del previsto.
"I nostri risultati mostrano che la turbolenza elastica ha un decadimento dell'energia universale basato sulla legge di potenza e un comportamento intermittente finora sconosciuto. Questi risultati ci permettono di guardare il problema della turbolenza elastica da una nuova prospettiva", spiega il Prof. Rosti. Quando descrivono un flusso, gli scienziati usano spesso un campo di velocità. "Possiamo osservare la distribuzione delle fluttuazioni di velocità per fare previsioni statistiche sul flusso", afferma il dott. Rahul K. Singh, il primo autore della pubblicazione.
Quando studiano la turbolenza newtoniana classica, i ricercatori misurano la velocità sull'intero flusso e utilizzano la differenza tra due punti per creare un campo di differenza di velocità.
"Qui misuriamo la velocità in tre punti e calcoliamo le seconde differenze. Innanzitutto, viene calcolata una differenza sottraendo le velocità dei fluidi misurate in due punti diversi. Quindi sottraiamo ancora due di queste prime differenze, il che ci dà la seconda differenza", spiega il dott. . Singh.
Questo tipo di ricerca ha comportato un’ulteriore sfida:l’esecuzione di queste complesse simulazioni richiede la potenza di supercomputer avanzati. "Le nostre simulazioni a volte durano quattro mesi e producono un'enorme quantità di dati", afferma il prof. Rosti.
Questo ulteriore livello di dettaglio ha portato a una scoperta sorprendente:che il campo di velocità nella turbolenza elastica è intermittente. Per illustrare l'aspetto dell'intermittenza nel flusso, il dottor Singh utilizza come esempio l'elettrocardiogramma (ECG).
"In una misurazione ECG il segnale presenta piccole fluttuazioni interrotte da picchi molto acuti. Questa improvvisa grande esplosione è chiamata intermittenza", afferma il dottor Singh.
Nei fluidi classici tali fluttuazioni tra valori piccoli e molto grandi erano già state descritte, ma solo per la turbolenza che si verifica a velocità di flusso elevate. I ricercatori sono rimasti sorpresi nel trovare ora lo stesso schema nella turbolenza elastica che si verifica a velocità di flusso molto piccole. "A queste basse velocità non ci aspettavamo di trovare fluttuazioni così forti nel segnale di velocità", afferma il dott. Singh.
Le loro scoperte non solo rappresentano un grande passo avanti verso una migliore comprensione della fisica alla base della turbolenza a bassa velocità, ma gettano anche le basi per lo sviluppo di una teoria matematica completa che descriva la turbolenza elastica. "Con una teoria perfetta, potremmo fare previsioni sul flusso e progettare dispositivi che possono alterare la miscelazione dei liquidi. Ciò potrebbe essere utile quando si lavora con soluzioni biologiche", afferma il prof. Rosti.
