Aktivní tekutina - Active fluid

An aktivní tekutina je hustě zabalený měkký materiál jehož základní prvky mohou samohybný.^[1][2][3][4] Mezi příklady patří hustá suspenze bakterie, sítě mikrotubulů nebo umělých plavců.^[2] Tyto materiály spadají do široké kategorie aktivní hmota a výrazně se liší ve vlastnostech ve srovnání s pasivními tekutinami,^[5] které lze popsat pomocí Navier-Stokes rovnice. I když systémy popisovatelné jako aktivní tekutiny byly po dlouhou dobu pozorovány a zkoumány v různých kontextech, vědecký zájem o vlastnosti přímo související s aktivitou se objevil až v posledních dvou desetiletích. Ukázalo se, že tyto materiály vykazují řadu různých fází, od dobře uspořádaných vzorů až po chaotické stavy (viz níže). Nedávné experimentální výzkumy naznačují, že různé dynamické fáze vystavené aktivními tekutinami mohou mít důležité technologické aplikace.^[6][7]

Terminologie

Pojmy „aktivní tekutiny“, „aktivní nematici “A„ aktivní tekuté krystaly „Byly použity téměř synonymně k označení hydrodynamických popisů husté aktivní hmoty.^{[2][8][9][10]} I když v mnoha ohledech popisují stejný jev, existují mezi nimi jemné rozdíly. „Aktivní nematici“ a „aktivní tekuté krystaly“ označují systémy, ve kterých mají základní prvky nematický řád zatímco „aktivní tekutiny“ je obecnější pojem kombinující systémy s nematickými i polárními interakcemi.

Příklady a postřehy

Existuje široká škála buněčných a intracelulárních prvků, které tvoří aktivní tekutiny. To zahrnuje systémy mikrotubul, bakterie, spermie stejně jako neživé mikroplavky.^[2] Je známo, že tyto systémy tvoří různé struktury, například pravidelné a nepravidelné mříže stejně jako zdánlivě náhodné stavy ve dvou dimenzích.

Formování vzoru

Ukázalo se, že se aktivní tekutiny organizují do pravidelných a nepravidelných mřížek v různých prostředích. Patří mezi ně nepravidelné šestihranné mřížky mikrotubuly^[11] a pravidelné vírové mřížky spermiemi.^[12] Z topologických úvah lze vidět, že základním prvkem v kvazi stacionárních stavech aktivních tekutin by měly být nutně víry. Méně je však známo například o výběru měřítka délky v takových systémech.

Aktivní turbulence

Chaotické stavy vystavené aktivními tekutinami se označují jako aktivní turbulence.^[13] Tyto státy jsou kvalitativně podobné hydrodynamická turbulence, na jejichž základě se jim říká aktivní turbulence. Nedávný výzkum však ukázal, že statistické vlastnosti spojené s takovými toky jsou zcela odlišné od vlastností hydrodynamických turbulencí.^[5][14]

Přístupy mechanismu a modelování

Mechanismus vzniku různých struktur v aktivních tekutinách je oblast aktivního výzkumu. Je dobře známo, že tvorba struktury v aktivních tekutinách úzce souvisí vady nebo disklinace v parametr objednávky pole^[15][16] (orientační pořadí jednotlivých složek). Důležitou součástí výzkumu aktivních tekutin je modelování dynamiky těchto defektů za účelem studia její role při tvorbě vzorů a turbulentní dynamiky v aktivních tekutinách. Upravené verze Model Vicsek patří mezi nejdříve a nepřetržitě používaný přístup k modelování aktivních tekutin.^[17] Ukázalo se, že takové modely zachycují různé dynamické stavy vystavené aktivními tekutinami.^[17] Propracovanější přístupy zahrnují derivaci hydrodynamických rovnic limitu kontinua pro aktivní tekutiny^[18][19] a přizpůsobení teorie tekutých krystalů zahrnutím termínů aktivity.^[13]

Potenciální aplikace

Bylo navrženo několik technologických aplikací pro aktivní tekutiny, jako je napájení molekulárních motorů aktivní turbulencí a vzorovaným stavem.^[7] Kromě toho, vzhledem k nesčetným aplikacím, které kapalné krystaly nacházejí v různých technologiích, byly předloženy návrhy, jak je rozšířit pomocí aktivních kapalných krystalů.^[20]

Viz také

• Aktivní hmota
• Model Vicsek
• Navier Stokesovy rovnice
• Měkká hmota

Reference