Активная жидкость
Активная жидкость представляет собой плотно упакованный мягкий материал , составные элементы которого могут двигаться самостоятельно . [1] [2] [3] [4] Примеры включают плотные суспензии бактерий , сети микротрубочек или искусственных пловцов. [2] Эти материалы подпадают под широкую категорию активных веществ и значительно отличаются по свойствам от пассивных жидкостей. [5] которое можно описать уравнением Навье-Стокса . Несмотря на то, что системы, описываемые как активные жидкости, наблюдались и исследовались в различных контекстах в течение длительного времени, научный интерес к свойствам, непосредственно связанным с активностью, возник только в последние два десятилетия. Было показано, что эти материалы демонстрируют множество различных фаз: от хорошо упорядоченных структур до хаотических состояний (см. Ниже). Недавние экспериментальные исследования показали, что различные динамические фазы, проявляемые активными жидкостями, могут иметь важные технологические применения. [6] [7]
Терминология
[ редактировать ]Термины «активные жидкости», «активные нематики » и «активные жидкие кристаллы » использовались почти как синонимы для обозначения гидродинамических описаний плотной активной материи. [2] [8] [9] [10] Хотя во многих отношениях они описывают одно и то же явление, между ними есть тонкие различия. «Активные нематики» и «активные жидкие кристаллы» относятся к системам, в которых составляющие элементы имеют нематический порядок , тогда как «активные жидкости» — это более общий термин, объединяющий системы как с нематическими, так и с полярными взаимодействиями.
Примеры и наблюдения
[ редактировать ]Существует широкий спектр клеточных и внутриклеточных элементов, образующих активные жидкости. Сюда входят системы микротрубочек , бактерии , сперматозоиды , а также неживые микропловцы . [2] Известно, что эти системы образуют различные структуры, такие как регулярные и нерегулярные решетки , а также кажущиеся случайными состояния в двух измерениях.
Формирование узора
[ редактировать ]Было показано, что активные жидкости в различных условиях организуются в регулярные и нерегулярные решетки. К ним относятся неправильные гексагональные решетки из микротрубочек. [11] и регулярная вихревая решетка сперматозоидов. [12] Из топологических соображений видно, что составляющим элементом в квазистационарных состояниях активных жидкостей обязательно должны быть вихри. Но очень мало известно, например, о выборе масштаба длины в таких системах.
Активная турбулентность
[ редактировать ]Хаотические состояния, проявляемые активными жидкостями, называются активной турбулентностью. [13] Такие состояния качественно подобны гидродинамической турбулентности , в силу чего их называют активной турбулентностью. Но недавние исследования показали, что статистические свойства, связанные с такими потоками, сильно отличаются от свойств гидродинамической турбулентности. [5] [14]
Механизм и подходы к моделированию
[ редактировать ]Механизм образования различных структур в активных жидкостях является областью активных исследований. Хорошо известно, что формирование структуры в активных жидкостях тесно связано с дефектами или дисклинациями в параметра порядка. поле [15] [16] (ориентационный порядок составляющих агентов). Важная часть исследований активных жидкостей включает моделирование динамики этих дефектов для изучения их роли в формировании структуры и турбулентной динамики в активных жидкостях. Модифицированные версии модели Вичека являются одними из первых и постоянно используемых подходов к моделированию активных флюидов. [17] Было показано, что такие модели отражают различные динамические состояния, демонстрируемые активными жидкостями. [17] Более усовершенствованные подходы включают вывод предельных гидродинамических уравнений континуума для активных жидкостей. [18] [19] и адаптация теории жидких кристаллов путем включения условий активности. [13]
Возможные применения
[ редактировать ]Было предложено несколько технологических применений активных жидкостей, таких как приведение в действие молекулярных двигателей за счет активной турбулентности и структурированного состояния. [7] Более того, учитывая бесчисленное множество применений жидких кристаллов в различных технологиях, были предложения расширить их за счет использования активных жидких кристаллов. [20]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Морозов, Александр (24 марта 2017 г.). «От хаоса к порядку в активных жидкостях». Наука . 355 (6331): 1262–1263. Бибкод : 2017Sci...355.1262M . дои : 10.1126/science.aam8998 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 28336624 . S2CID 5238817 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Сентильян, Дэвид (2018). «Реология активных жидкостей» . Ежегодный обзор механики жидкости . 50 (1): 563–592. Бибкод : 2018AnRFM..50..563S . doi : 10.1146/annurev-fluid-010816-060049 .
- ^ Маркетти, MC; Джоанни, Дж. Ф.; Рамасвами, С.; Ливерпуль, ТБ; Прост, Дж.; Рао, Мадан; Симха, Р. Адити (19 июля 2013 г.). «Гидродинамика мягкого активного вещества». Обзоры современной физики . 85 (3): 1143–1189. Бибкод : 2013РвМП...85.1143М . дои : 10.1103/RevModPhys.85.1143 .
- ^ Реология сложных жидкостей . Дешпанде, Абхиджит, Ю. (Абхиджит Йешва), Мурали Кришнан, Дж., Сунил Кумар, П.Б. Нью-Йорк: Springer. 2010. с. 193. ИСБН 9781441964946 . OCLC 676699967 .
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ) - ^ Перейти обратно: а б Братанов, Василь; Дженко, Фрэнк; Фрей, Эрвин (08 декабря 2015 г.). «Новый класс турбулентности в активных жидкостях» . Труды Национальной академии наук . 112 (49): 15048–15053. Бибкод : 2015PNAS..11215048B . дои : 10.1073/pnas.1509304112 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 4679023 . ПМИД 26598708 .
- ^ Йоманс, Джулия М. (ноябрь 2014 г.). «Игривая топология». Природные материалы . 13 (11): 1004–1005. Бибкод : 2014NatMa..13.1004Y . дои : 10.1038/nmat4123 . ISSN 1476-4660 . ПМИД 25342530 .
- ^ Перейти обратно: а б Йоманс, Джулия М. (01 марта 2017 г.). «Двигатели природы: активная материя» . Новости еврофизики . 48 (2): 21–25. Бибкод : 2017ENews..48b..21Y . дои : 10.1051/epn/2017204 . ISSN 0531-7479 .
- ^ Бонелли, Франческо; Гоннелла, Джузеппе; Тирибокки, Адриано; Марендуццо, Давиде (01 января 2016 г.). «Спонтанное течение в полярных активных жидкостях: эффект феноменологического термина, подобного самодвижению». Европейский физический журнал Э. 39 (1): 1. doi : 10.1140/epje/i2016-16001-2 . ISSN 1292-8941 . ПМИД 26769011 . S2CID 5287464 .
- ^ Кебер, Феликс К.; Луазо, Этьен; Санчес, Тим; ДеКэмп, Стивен Дж.; Джоми, Лука; Боуик, Марк Дж.; Маркетти, М. Кристина; Догич, Звонимир; Бауш, Андреас Р. (2014). «Топология и динамика активных нематических пузырьков» . Наука . 345 (6201): 1135–1139. arXiv : 1409.1836 . Бибкод : 2014Sci...345.1135K . дои : 10.1126/science.1254784 . ISSN 0036-8075 . ПМК 4401068 . ПМИД 25190790 .
- ^ Марендуццо, Д.; Орландини, Э.; Йоманс, Дж. М. (16 марта 2007 г.). «Гидродинамика и реология активных жидких кристаллов: численное исследование». Письма о физических отзывах . 98 (11): 118102. Бибкод : 2007PhRvL..98k8102M . doi : 10.1103/PhysRevLett.98.118102 . hdl : 11577/1776051 . ПМИД 17501095 .
- ^ Сумино, Ютака; Нагаи, Кен Х.; Ситака, Юджи; Танака, Дэн; Ёсикава, Кеничи; Шатэ, Хьюг; Оива, Казухиро (март 2012 г.). «Крупномасштабная вихревая решетка, возникающая из коллективно движущихся микротрубочек» (PDF) . Природа . 483 (7390): 448–452. Бибкод : 2012Natur.483..448S . дои : 10.1038/nature10874 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 22437613 . S2CID 4381568 .
- ^ Ридель, Ингмар Х.; Крузе, Карстен; Ховард, Джонатон (8 июля 2005 г.). «Самоорганизованная вихревая матрица гидродинамически увлекаемых сперматозоидов». Наука . 309 (5732): 300–303. Бибкод : 2005Sci...309..300R . дои : 10.1126/science.1110329 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 16002619 . S2CID 40668987 .
- ^ Перейти обратно: а б Тампи, СП; Йоманс, Дж. М. (01 июля 2016 г.). «Активная турбулентность в активных нематиках». Специальные темы Европейского физического журнала . 225 (4): 651–662. arXiv : 1605.00808 . Бибкод : 2016EPJST.225..651T . doi : 10.1140/epjst/e2015-50324-3 . ISSN 1951-6355 . S2CID 118487130 .
- ^ Джеймс, Мартин; Вильчек, Майкл (01 февраля 2018 г.). «Вихревая динамика и лагранжева статистика в модели активной турбулентности». Европейский физический журнал Э. 41 (2): 21. arXiv : 1710.01956 . дои : 10.1140/epje/i2018-11625-8 . ISSN 1292-8941 . ПМИД 29435676 . S2CID 3762381 .
- ^ Джоми, Лука; Боуик, Марк Дж.; Мишра, Прашант; Скнепнек, Растко; Маркетти, М. Кристина (28 ноября 2014 г.). «Динамика дефектов в активных нематиках» . Фил. Пер. Р. Сок. А. 372 (2029): 20130365. arXiv : 1403.5254 . Бибкод : 2014RSPTA.37230365G . дои : 10.1098/rsta.2013.0365 . ISSN 1364-503X . ПМЦ 4223672 . ПМИД 25332389 .
- ^ Эльгети, Дж.; Кейтс, Мэн; Марендуццо, Д. (22 марта 2011 г.). «Гидродинамика дефектов в двумерных полярных активных жидкостях». Мягкая материя . 7 (7): 3177. Бибкод : 2011SMat....7.3177E . дои : 10.1039/c0sm01097a . ISSN 1744-6848 .
- ^ Перейти обратно: а б Гроссманн, Роберт; Романчук, Павел; Бэр, Маркус; Шиманский-Гейер, Лутц (19 декабря 2014 г.). «Вихревые массивы и мезомасштабная турбулентность самодвижущихся частиц». Письма о физических отзывах . 113 (25): 258104. arXiv : 1404.7111 . Бибкод : 2014PhRvL.113y8104G . doi : 10.1103/PhysRevLett.113.258104 . ПМИД 25554911 . S2CID 9650798 .
- ^ Тонер, Джон; Ту, Юхай (1 октября 1998 г.). «Стаи, стада и школы: количественная теория стад». Физический обзор E . 58 (4): 4828–4858. arXiv : cond-mat/9804180 . Бибкод : 1998PhRvE..58.4828T . дои : 10.1103/PhysRevE.58.4828 . S2CID 463753 .
- ^ Венсинк, Хенрикус Х.; Дункель, Йорн; Хайденрайх, Себастьян; Дрешер, Кнут; Гольдштейн, Раймонд Э.; Лёвен, Хартмут ; Йоманс, Джулия М. (2012). «Мезомасштабная турбулентность в живых жидкостях» . Труды Национальной академии наук . 109 (36): 14308–14313. arXiv : 1208.4239 . Бибкод : 2012PNAS..10914308W . дои : 10.1073/pnas.1202032109 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 3437854 . ПМИД 22908244 .
- ^ Маджумдар, Апала ; Кристина, Маркетти М.; Вирга, Эпифанио Г. (28 ноября 2014 г.). «Перспективы активных жидких кристаллов» . Фил. Пер. Р. Сок. А. 372 (2029): 20130373. Бибкод : 2014RSPTA.37230373M . дои : 10.1098/rsta.2013.0373 . ISSN 1364-503X . ПМЦ 4223676 . ПМИД 25332386 .