Wissenschaftler zeigen, dass elastische Turbulenzen mehr mit der klassischen Newtonschen Turbulenz gemeinsam haben als erwartet

Blut, Lymphflüssigkeit und andere biologische Flüssigkeiten können überraschende und manchmal beunruhigende Eigenschaften haben. Viele dieser biologischen Lösungen sind nicht-Newtonsche Flüssigkeiten, eine Art Flüssigkeit, die durch eine nichtlineare Beziehung zwischen Spannung und Dehnung gekennzeichnet ist. Daher verhalten sich nicht-Newtonsche Flüssigkeiten nicht unbedingt so, wie man es von einer Flüssigkeit erwarten würde. Einige dieser besonderen Flüssigkeiten verformen sich beispielsweise bei leichter Berührung, verhalten sich jedoch fast wie ein Festkörper, wenn eine große Kraft ausgeübt wird.

Und biologische Lösungen sind keine Ausnahme, wenn es um einzigartige Eigenschaften geht, darunter elastische Turbulenzen. Ein Begriff, der die chaotische Bewegung von Flüssigkeiten beschreibt, die durch die Zugabe von Polymeren in geringen Konzentrationen zu wässrigen Flüssigkeiten entsteht. Diese Art von Turbulenz kommt nur in nicht-newtonschen Flüssigkeiten vor.

Sein Gegenstück sind klassische Turbulenzen, die in Newtonschen Flüssigkeiten auftreten, beispielsweise in einem Fluss, wenn Wasser mit hoher Geschwindigkeit an einem Brückenpfeiler vorbeifließt. Obwohl es mathematische Theorien zur Beschreibung und Vorhersage klassischer Turbulenzen gibt, wartet die elastische Turbulenz trotz ihrer Bedeutung für biologische Proben und industrielle Anwendungen immer noch auf solche Werkzeuge.

„Dieses Phänomen ist in der Mikrofluidik wichtig, beispielsweise beim Mischen kleiner Volumina von Polymerlösungen, was schwierig sein kann. Aufgrund der sehr flüssigen Strömung vermischen sie sich nicht gut“, erklärt Professor Marco Edoardo Rosti, verantwortlich für die Abteilung Komplexe Flüssigkeiten und Strömungen . Einheit.

Bisher betrachteten Wissenschaftler elastische Turbulenzen als völlig anders als klassische Turbulenzen, doch die Veröffentlichung des Labors in der Zeitschrift Natürliche Kommunikation könnte diese Ansicht ändern. OIST-Forscher arbeiteten mit Wissenschaftlern von TIFR in Indien und NORDITA in Schweden zusammen, um herauszufinden, dass elastische Turbulenzen mehr mit der klassischen Newtonschen Turbulenz gemeinsam haben als erwartet.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass elastische Turbulenzen einen universellen Energieabfall und ein bisher unbekanntes intermittierendes Verhalten aufweisen. Diese Ergebnisse ermöglichen es uns, das Problem der elastischen Turbulenzen aus einer neuen Perspektive zu untersuchen“, erklärt Professor Rosti. Um eine Strömung zu beschreiben, verwenden Wissenschaftler häufig ein Geschwindigkeitsfeld. „Wir können die Verteilung von Geschwindigkeitsschwankungen betrachten, um statistische Vorhersagen über die Strömung zu treffen“, erklärt Dr. Rahul K. Singh, Erstautor der Veröffentlichung.

Bei der Untersuchung klassischer Newtonscher Turbulenzen messen Forscher die Geschwindigkeit über die gesamte Strömung und nutzen die Differenz zwischen zwei Punkten, um ein Geschwindigkeitsdifferenzfeld zu erzeugen.

„Hier messen wir die Geschwindigkeit an drei Punkten und berechnen die zweiten Differenzen. Zunächst wird eine Differenz berechnet, indem wir die an zwei verschiedenen Punkten gemessenen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten subtrahieren. Anschließend subtrahieren wir erneut zwei dieser ersten Differenzen, wodurch wir die zweite Differenz erhalten.“ erklärt Dr.

Diese Art von Forschung brachte eine zusätzliche Herausforderung mit sich: Die Durchführung dieser komplexen Simulationen erfordert die Leistung fortschrittlicher Supercomputer. „Unsere Simulationen dauern teilweise vier Monate und erzeugen riesige Datenmengen“, erklärt Professor Rosti.

Diese zusätzliche Detailebene führte zu einer überraschenden Entdeckung: Das Geschwindigkeitsfeld in elastischen Turbulenzen ist intermittierend. Um zu veranschaulichen, wie Flussintermittenten aussehen, verwendet Dr. Singh das Elektrokardiogramm (EKG) als Beispiel.

„Bei einer EKG-Messung weist das Signal kleine Schwankungen auf, die durch sehr scharfe Spitzen unterbrochen werden. Diesen plötzlichen großen Ausbruch nennt man Intermittenz“, erklärt Dr. Singh.

In klassischen Flüssigkeiten wurden solche Schwankungen zwischen kleinen und sehr großen Werten bereits beschrieben, allerdings nur für Turbulenzen, die bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten auftreten. Die Forscher waren überrascht, dass das gleiche Muster elastischer Turbulenzen nun auch bei sehr niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten auftritt. „Bei diesen niedrigen Geschwindigkeiten hatten wir nicht damit gerechnet, so starke Schwankungen im Geschwindigkeitssignal zu finden“, sagt Dr. Singh.

Ihre Erkenntnisse stellen nicht nur einen großen Schritt hin zu einem besseren Verständnis der Physik hinter Niedriggeschwindigkeitsturbulenzen dar, sondern legen auch den Grundstein für die Entwicklung einer umfassenden mathematischen Theorie zur Beschreibung elastischer Turbulenzen. „Mit einer perfekten Theorie könnten wir Vorhersagen über die Durchflussrate treffen und Geräte entwerfen, die die Vermischung von Flüssigkeiten verändern könnten. Dies könnte bei der Arbeit mit biologischen Lösungen nützlich sein“, sagt Professor Rosti.