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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 pertenecen a la categoría amplia de materia activa y difieren significativamente en propiedades en comparación con los fluidos pasivos, [5] que pueden describirse mediante la ecuación de Navier-Stokes . Aunque los sistemas descriptibles como fluidos activos han sido observados e investigados en diferentes contextos durante mucho tiempo, el interés científico en las propiedades directamente relacionadas con la actividad ha surgido sólo 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 que exhiben los fluidos activos pueden tener importantes aplicaciones tecnológicas. [6] [7]

Terminología

Los términos "fluidos activos", " nemáticos activos " 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. "Nemáticos activos" 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. Esto incluye 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. Estos incluyen redes hexagonales irregulares formadas por microtúbulos [11] y redes de vórtices regulares formadas por espermatozoides. [12] A partir de consideraciones topológicas, se puede ver que el elemento constitutivo en estados cuasi estacionarios de fluidos activos debe ser necesariamente los vórtices. Pero se sabe muy poco, por ejemplo, sobre la selección de la escala de longitud en tales sistemas.

Turbulencia activa

Los estados caóticos exhibidos por 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 tales flujos son bastante diferentes de las de la turbulencia hidrodinámica. [5] [14]

Mecanismos y enfoques de modelado.

El mecanismo detrás de la formación de diversas estructuras en fluidos activos es un área de investigación activa. Se entiende bien que la formación de estructuras en fluidos activos está íntimamente relacionada con defectos o variaciones 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 Vicsek se encuentran entre los primeros y utilizados continuamente 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 de límite continuo para fluidos activos [18] [19] y la adaptación de la teoría del cristal líquido al incluir los términos de actividad. [13]

Aplicaciones potenciales

Se han propuesto algunas aplicaciones tecnológicas para fluidos activos, como la alimentación de motores moleculares mediante 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]

Ver también

Referencias

  1. ^ Morozov, Alejandro (24 de marzo de 2017). "Del caos al orden en fluidos activos". Ciencia . 355 (6331): 1262–1263. Código Bib : 2017 Ciencia... 355.1262M. doi : 10.1126/ciencia.aam8998. ISSN  0036-8075. PMID  28336624. S2CID  5238817.
  2. ^ abcd Saintillan, David (2018). "Reología de fluidos activos". Revisión Anual de Mecánica de Fluidos . 50 (1): 563–592. Código Bib : 2018AnRFM..50..563S. doi : 10.1146/annurev-fluid-010816-060049 .
  3. ^ Marchetti, MC; Joanny, JF; Ramaswamy, S.; Liverpool, tuberculosis; Prost, J.; Rao, Madán; Simha, R. Aditi (19 de julio de 2013). "Hidrodinámica de la materia activa blanda". Reseñas de Física Moderna . 85 (3): 1143–1189. Código Bib : 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. pág. 193.ISBN​ 9781441964946. OCLC  676699967.{{cite book}}: Mantenimiento CS1: otros ( enlace )
  5. ^ ab Bratanov, Vasil; Jenko, Frank; Frey, Erwin (8 de diciembre de 2015). "Nueva clase de turbulencia en fluidos activos". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 112 (49): 15048–15053. Código Bib : 2015PNAS..11215048B. doi : 10.1073/pnas.1509304112 . ISSN  0027-8424. PMC 4679023 . PMID  26598708. 
  6. ^ Yeomans, Julia M. (noviembre de 2014). "Topología lúdica". Materiales de la naturaleza . 13 (11): 1004-1005. Código Bib : 2014NatMa..13.1004Y. doi :10.1038/nmat4123. ISSN  1476-4660. PMID  25342530.
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