乱流は自然界に遍在しますが、活性乱流の普遍的な性質が明らかになったのは今になってからです。

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乱流は混沌としていますが、普遍的な統計的特性を持っています。近年、細菌懸濁液、上皮細胞単層、生体高分子、分子モーター混合物などの活性流体で、一見乱流のように見えるものが発見されています。ネイチャー・フィジックス誌に掲載された新しい研究で、バルセロナ大学、プリンストン大学、フランスのエコール・ポリテクニークの科学者らは、アクティブ・ネマティック流体のカオス的流れが、独自の普遍的スケーリング法則によって記述できることを発見した。

乱流は、星のプラズマの流れから、地球上の大規模な大気や海洋の流れ、航空機によって引き起こされる気流まで、自然界のいたるところに存在します。乱流は混沌としており、常に小さな渦が発生して分裂します。しかし、この複雑な無秩序な動作を統計的な意味で考慮すると、乱流は普遍的なスケーリング法則に従います。これは、乱流の統計的特性は、乱流がどのように生成されるか、また、粘度や密度など、観測される特定の流体の特性とは無関係であることを意味します。

科学者たちは、流れや渦が何らかの外部要因（大気の温度勾配など）ではなく、活性流体自体によって生成される活性乱流の文脈で、この普遍的な概念を再検討しました。これらの流体の活性特性は、例えば細菌の遊泳やバイオポリマーに対する分子モーターの作用などにより、流体内部で力を生成する能力に依存します。 「これらの活性力が十分に強い場合、活性プロセスによって注入されたエネルギーによって流体が自発的に流れ始める」とプリンストン大学の博士研究員で筆頭著者のリカード・オルター氏は説明した。

応力が強い場合、これらの自発的な流れは、自己生成された渦の混沌とし​​た混合物になります。これを活性乱流と呼びます。研究者たちは、特定の種類の活性流体、すなわち二次元活性ネマティック液晶に注目しました。細胞単層、生体高分子の懸濁液、分子モーターなどの実験システムについて説明します。大規模シミュレーションでは、活発な流れが特徴的な大きさの無秩序な渦パターンに組織化されることが示されています。渦の特性サイズよりもはるかに大きな流れが研究され、これらの大規模な流れの統計的特性は明確なスケーリング則に従うことがわかった。

「このスケーリング則は普遍的であり、活性流体の特定の特性とは無関係であることを示しています」とバルセロナ大学複雑系研究所（UBICS）のジャウメ・カサデムト教授は述べた。可動ネマティック流体のこのスケーリング則は、アンドレイ・コルモゴロフの 1941 年の古典的乱流のスケーリング則と同等ですが、指数が異なります。これは、慣性のない粘性流と移動する流体内の自己組織化力の複合効果の結果です。

この研究のもう一つの顕著な結果は、与えられたスケールにおいて、活性力によって注入されたすべてのエネルギーが、同じスケールでの粘性効果によって消散されるということです。したがって、古典的な乱流とはまったく対照的に、エネルギーを他のスケールに転送することはできません。研究者らは、シミュレーションと分析の両方において、最小限の活性ネマティック流体が、活性エネルギー注入があらゆる規模でエネルギー散逸と正確にバランスをとるような方法で自己組織化することを実証した。

ボー・ケ・ユアン研究/出典: バルセロナ大学

参考ジャーナル Nature Physics

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