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Fluido activo

Un fluido activo es un material blando densamente empaquetado cuyos elementos constituyentes pueden autopropulsarse . [1] [2] [3] [4] Los ejemplos incluyen suspensiones densas de bacterias , redes de microtúbulos o nadadores artificiales. [2] Estos materiales entran en la amplia categoría de materia activa y difieren significativamente en propiedades cuando se comparan con los fluidos pasivos, [5] que se pueden describir utilizando la ecuación de Navier-Stokes . Aunque los sistemas descriptibles como fluidos activos se han observado e investigado en diferentes contextos durante mucho tiempo, el interés científico en las propiedades directamente relacionadas con la actividad ha surgido solo en las últimas dos décadas. Se ha demostrado que estos materiales exhiben una variedad de fases diferentes que van desde patrones bien ordenados hasta estados caóticos (ver más abajo). Investigaciones experimentales recientes han sugerido que las diversas fases dinámicas exhibidas por los fluidos activos pueden tener importantes aplicaciones tecnológicas. [6] [7]

Terminología

Los términos “fluidos activos”, “ nemática activa ” y “ cristales líquidos activos ” se han utilizado casi como sinónimos para denotar descripciones hidrodinámicas de materia activa densa. [2] [8] [9] [10] Si bien en muchos aspectos describen el mismo fenómeno, existen diferencias sutiles entre ellos. “Nemática activa” y “cristales líquidos activos” se refieren a sistemas donde los elementos constituyentes tienen orden nemático , mientras que “fluidos activos” es el término más genérico que combina sistemas con interacciones tanto nemáticas como polares.

Ejemplos y observaciones

Existe una amplia gama de elementos celulares e intracelulares que forman fluidos activos. Entre ellos se incluyen sistemas de microtúbulos , bacterias , espermatozoides y micronadadores inanimados . [2] Se sabe que estos sistemas forman una variedad de estructuras, como redes regulares e irregulares , así como estados aparentemente aleatorios en dos dimensiones.

Formación de patrones

Se ha demostrado que los fluidos activos se organizan en redes regulares e irregulares en una variedad de entornos. Estas incluyen redes hexagonales irregulares por microtúbulos [11] y redes de vórtices regulares por células espermáticas. [12] A partir de consideraciones topológicas, se puede ver que el elemento constituyente en estados cuasi estacionarios de fluidos activos necesariamente deberían ser vórtices. Pero se sabe muy poco, por ejemplo, sobre la selección de la escala de longitud en tales sistemas.

Turbulencia activa

Los estados caóticos que presentan los fluidos activos se denominan turbulencia activa. [13] Estos estados son cualitativamente similares a la turbulencia hidrodinámica , por lo que se denominan turbulencia activa. Pero investigaciones recientes han indicado que las propiedades estadísticas asociadas con estos flujos son bastante diferentes de las de la turbulencia hidrodinámica. [5] [14]

Mecanismos y enfoques de modelado

El mecanismo detrás de la formación de varias estructuras en fluidos activos es un área de investigación activa. Se entiende bien que la formación de la estructura en fluidos activos está íntimamente relacionada con defectos o disclinaciones en el campo de parámetros de orden [15] [16] (el orden de orientación de los agentes constituyentes). Una parte importante de la investigación sobre fluidos activos implica el modelado de la dinámica de estos defectos para estudiar su papel en la formación de patrones y la dinámica turbulenta en fluidos activos. Las versiones modificadas del modelo de Vicsek se encuentran entre los enfoques más antiguos y continuamente utilizados para modelar fluidos activos. [17] Se ha demostrado que estos modelos capturan los diversos estados dinámicos exhibidos por los fluidos activos. [17] Los enfoques más refinados incluyen la derivación de ecuaciones hidrodinámicas límite de continuo para fluidos activos [18] [19] y la adaptación de la teoría de cristal líquido mediante la inclusión de los términos de actividad. [13]

Aplicaciones potenciales

Se han propuesto algunas aplicaciones tecnológicas para los fluidos activos, como la alimentación de motores moleculares a través de turbulencia activa y estado modelado. [7] Además, dadas las innumerables aplicaciones que encuentran los cristales líquidos en diversas tecnologías, ha habido propuestas para aumentarlas mediante el uso de cristales líquidos activos. [20]

Véase también

Referencias

  1. ^ Morozov, Alexander (24 de marzo de 2017). "Del caos al orden en fluidos activos". Science . 355 (6331): 1262–1263. Bibcode :2017Sci...355.1262M. doi :10.1126/science.aam8998. ISSN  0036-8075. PMID  28336624. S2CID  5238817.
  2. ^ abcd Saintillan, David (2018). "Reología de fluidos activos". Revista anual de mecánica de fluidos . 50 (1): 563–592. Código Bibliográfico :2018AnRFM..50..563S. doi : 10.1146/annurev-fluid-010816-060049 .
  3. ^ Marchetti, MC; Joanny, JF; Ramaswamy, S.; Liverpool, TB; Prost, J.; Rao, Madan; Simha, R. Aditi (19 de julio de 2013). "Hidrodinámica de la materia activa blanda". Reseñas de Física Moderna . 85 (3): 1143–1189. Código Bibliográfico :2013RvMP...85.1143M. doi :10.1103/RevModPhys.85.1143.
  4. ^ Reología de fluidos complejos . Deshpande, Abhijit, Y. (Abhijit Yeshwa), Murali Krishnan, J., Sunil Kumar, PB Nueva York: Springer. 2010. p. 193. ISBN 9781441964946.OCLC 676699967  .{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: otros ( enlace )
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  12. ^ Riedel, Ingmar H.; Kruse, Karsten; Howard, Jonathon (8 de julio de 2005). "Una matriz de vórtices autoorganizada de células espermáticas arrastradas hidrodinámicamente". Science . 309 (5732): 300–303. Bibcode :2005Sci...309..300R. doi :10.1126/science.1110329. ISSN  0036-8075. PMID  16002619. S2CID  40668987.
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