Los flujos turbulentos son caóticos pero presentan propiedades estadísticas universales. Se han descubierto flujos aparentemente turbulentos en fluidos activos como suspensiones bacterianas, monocapas de células epiteliales, y mezclas de biopolímeros y motores moleculares. En un nuevo estudio publicado en Física de la naturaleza , investigadores de la Universidad de Barcelona, La Universidad de Princeton y el Collège de France han demostrado que los flujos caóticos en los fluidos nemáticos activos se describen mediante distintas leyes de escala universales.

La turbulencia es de naturaleza omnipresente, desde los flujos de plasma en las estrellas hasta los flujos atmosféricos y oceánicos a gran escala en la Tierra, a través de los flujos de aire provocados por un avión. Los flujos turbulentos son caóticos, creando remolinos que aparecen y se rompen en remolinos más pequeños constantemente. Sin embargo, cuando este comportamiento caótico complejo se considera en un sentido estadístico, la turbulencia sigue las leyes de escala universales. Esto significa que las propiedades estadísticas de la turbulencia son independientes tanto en la forma en que se generan los flujos turbulentos, y las propiedades del fluido específico que miramos, como su viscosidad y densidad.

En el estudio ahora publicado en Física de la naturaleza , Los investigadores han revisado esta noción de universalidad en el contexto de los fluidos activos. En turbulencia activa, Los flujos y remolinos no son generados por la acción de algún agente externo (como gradientes de temperatura en la atmósfera) sino por el propio fluido activo. La naturaleza activa de estos fluidos depende de su capacidad para generar fuerzas internamente, por ejemplo debido a la natación de bacterias o la acción de motores moleculares sobre biopolímeros.

"Cuando estas fuerzas activas son lo suficientemente fuertes, el fluido comienza a fluir espontáneamente, alimentado por la energía inyectada por los procesos activos, "explica Ricard Alert, becario postdoctoral en la Universidad de Princeton. Cuando las fuerzas activas son fuertes, estos flujos espontáneos se convierten en una mezcla caótica de remolinos autogenerados, lo que llamamos turbulencia activa.

Los autores se centraron en un tipo específico de fluido activo:cristales líquidos nemáticos activos bidimensionales, que describen sistemas experimentales como monocapas de células, y suspensiones de biopolímeros y motores moleculares. Las simulaciones a gran escala mostraron que los flujos activos se organizan en un patrón desordenado de remolinos de un tamaño característico (Fig.1, Izquierda). Luego, los investigadores estudiaron los flujos a escalas mucho mayores que el tamaño característico de los remolinos (Fig.1, Derecha). Descubrieron que las propiedades estadísticas de estos flujos a gran escala siguen una ley de escala distinta.

"Demostramos que esta ley de escala es universal, independiente de las propiedades específicas del fluido activo, ", señala el profesor Jaume Casademunt del Instituto de Sistemas Complejos (UBICS) de la Universidad de Barcelona. Esta ley de escala es el equivalente en fluidos nemáticos activos de la ley de escala de Andrei Kolmogorov de 1941 para turbulencias clásicas, pero con un exponente diferente que resulta de la combinación de flujos viscosos sin inercia y los internos, Forzamiento autoorganizado de fluidos activos.

Otro resultado sorprendente de esta investigación es que toda la energía que es inyectada por las fuerzas activas a una escala dada se disipa por efectos viscosos a esa misma escala. Como consecuencia, en marcado contraste con la turbulencia clásica, no queda energía para ser transferida a otras escalas. "Tanto en simulaciones como analíticamente, Los investigadores demostraron que un fluido nemático activo mínimo se autoorganiza de tal manera que la inyección de energía activa equilibra exactamente la disipación de energía en cada escala. "concluye Jean-François Joanny, del Collège de France.