Активная жидкость представляет собой плотно упакованный мягкий материал чьи составные элементы могут самоперемещаться . [1] [2] [3] [4] Примеры включают плотные суспензии бактерий , сети микротрубочек или искусственных пловцов. [2] Эти материалы относятся к широкой категории активных веществ и значительно отличаются по свойствам по сравнению с пассивными жидкостями [5], которые можно описать с помощью метода Навье-Стокса.уравнение. 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 этой деятельностью, 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, демонстрируемые активными жидкостями, могут иметь важные технологические применения. [6] [7]
Терминология
Термины «активные жидкости», «активные нематики » и «активные жидкие кристаллы » использовались почти как синонимы для обозначения гидродинамических описаний плотного активного вещества. [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
Существует широкий спектр клеточных и внутриклеточных элементов, которые образуют активные жидкости. Сюда входят системы микротрубочек , бактерий , сперматозоидов, а также неодушевленных микропловцов. [2] Известно, что эти системы образуют множество структур, таких как регулярные и нерегулярные решетки, а также кажущиеся случайными состояниями в двух измерениях.
Формирование паттерна
Было показано, что активные жидкости организуются в регулярные и неправильные решетки в различных условиях. К ним относятся нерегулярные гексагональные решетки микротрубочек [11] и регулярные вихревые решетки сперматозоидов. [12] Из топологических соображений видно, что составляющим элементом в квазистационарных состояниях активных жидкостей обязательно должны быть вихри. Но, например, о выборе масштаба длины в таких системах известно очень мало.
Активная турбулентность
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
Механизм образования различных структур в активных жидкостях - область активных исследований. Хорошо известно, что формирование структуры в активных жидкостях тесно связано с дефектами или дисклинациями в поле параметра порядка [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 динамике в активных жидкостях. Модифицированные версии модели Vicsek являются одними из самых ранних и постоянно используемых подходов к моделированию активных жидкостей. [17] Было показано, что такие модели отражают различные динамические состояния активных жидкостей. [17] Более совершенные подходы включают вывод уравнений гидродинамики континуального предела для активных жидкостей [18] [19] и адаптацию теории жидких кристаллов путем включения условий активности. [13]
Возможные приложения
Было предложено несколько технологических приложений для активных жидкостей, таких как приведение в действие молекулярных двигателей через активную турбулентность и структурированное состояние. [7] Кроме того, учитывая бесчисленное количество применений жидких кристаллов в различных технологиях, были предложения по их расширению за счет использования активных жидких кристаллов. [20]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Морозов, Александр (2017-03-24). «От хаоса к порядку в активных жидкостях». Наука . 355 (6331): 1262–1263. Bibcode : 2017Sci ... 355.1262M . DOI : 10.1126 / science.aam8998 . ISSN 0036-8075 . PMID 28336624 .
- ^ а б в г Saintillan, Дэвид (2018). «Реология активных жидкостей». Ежегодный обзор гидромеханики . 50 (1): 563–592. Bibcode : 2018AnRFM..50..563S . DOI : 10.1146 / annurev-fluid-010816-060049 .
- ^ Marchetti, MC; Джоанни, JF; Ramaswamy, S .; Ливерпуль, ТБ; Prost, J .; Рао, Мадан; Симха, Р. Адити (19 июля 2013 г.). «Гидродинамика мягкого активного вещества». Обзоры современной физики . 85 (3): 1143–1189. Bibcode : 2013RvMP ... 85.1143M . DOI : 10.1103 / RevModPhys.85.1143 .
- ^ Реология сложных жидкостей . Deshpande, Abhijit, Y. (Abhijit Yeshwa), Murali Krishnan, J., Sunil Kumar, PB New York: Springer. 2010. с. 193. ISBN. 9781441964946. OCLC 676699967 .CS1 maint: другие ( ссылка )
- ^ а б Братанов, Василий; Йенко, Франк; Фрей, Эрвин (2015-12-08). «Новый класс турбулентности в активных жидкостях» . Труды Национальной академии наук . 112 (49): 15048–15053. Bibcode : 2015PNAS..11215048B . DOI : 10.1073 / pnas.1509304112 . ISSN 0027-8424 . PMC 4679023 . PMID 26598708 .
- ^ Йоманс, Джулия М. (ноябрь 2014 г.). «Игривая топология». Материалы природы . 13 (11): 1004–1005. Bibcode : 2014NatMa..13.1004Y . DOI : 10.1038 / nmat4123 . ISSN 1476-4660 . PMID 25342530 .
- ^ а б Йоманс, Джулия М. (2017-03-01). «Двигатели природы: активное вещество» . Новости Еврофизики . 48 (2): 21–25. Bibcode : 2017ENews..48b..21Y . DOI : 10.1051 / EPN / 2017204 . ISSN 0531-7479 .
- ^ Бонелли, Франческо; Гоннелла, Джузеппе; Тирибокки, Адриано; Марендуццо, Давиде (01.01.2016). «Самопроизвольное течение в полярных активных жидкостях: эффект феноменологического самодвижения, подобного термину». Европейский физический журнал E . 39 (1): 1. DOI : 10,1140 / epje / i2016-16001-2 . ISSN 1292-8941 . PMID 26769011 .
- ^ Кебер, Феликс С .; Луазо, Этьен; Санчес, Тим; DeCamp, 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 . Bibcode : 2014Sci ... 345.1135K . DOI : 10.1126 / science.1254784 . ISSN 0036-8075 . PMC 4401068 . PMID 25190790 .
- ^ Marenduzzo, D .; Орландини, E .; Йоманс, Дж. М. (16 марта 2007 г.). «Гидродинамика и реология активных жидких кристаллов: численное исследование». Письма с физическим обзором . 98 (11): 118102. Bibcode : 2007PhRvL..98k8102M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.98.118102 . PMID 17501095 .
- ^ Сумино, Ютака; Nagai, Ken H .; Шитака, Юдзи; Танака, Дан; Ёсикава, Кеничи; Шате, Хьюг; Оива, Казухиро (март 2012 г.). «Крупномасштабная вихревая решетка, возникающая из коллективно движущихся микротрубочек». Природа . 483 (7390): 448–452. Bibcode : 2012Natur.483..448S . DOI : 10,1038 / природа10874 . ISSN 1476-4687 . PMID 22437613 .
- ^ Riedel, Ingmar H .; Крузе, Карстен; Ховард, Джонатон (2005-07-08). «Самоорганизующийся массив вихрей гидродинамически захваченных сперматозоидов». Наука . 309 (5732): 300–303. Bibcode : 2005Sci ... 309..300R . DOI : 10.1126 / science.1110329 . ISSN 0036-8075 . PMID 16002619 .
- ^ а б Thampi, SP; Йоманс, JM (2016-07-01). «Активная турбулентность в активных нематиках». Специальные темы Европейского физического журнала . 225 (4): 651–662. arXiv : 1605.00808 . Bibcode : 2016EPJST.225..651T . DOI : 10.1140 / epjst / e2015-50324-3 . ISSN 1951-6355 .
- ^ Джеймс, Мартин; Вильчек, Майкл (01.02.2018). «Вихревая динамика и лагранжева статистика в модели активной турбулентности». Европейский физический журнал E . 41 (2): 21. arXiv : 1710.01956 . DOI : 10.1140 / epje / i2018-11625-8 . ISSN 1292-8941 . PMID 29435676 .
- ^ Джоми, Лука; Боуик, Марк Дж .; Мишра, Прашант; Скнепнек, Растко; Маркетти, М. Кристина (28 ноября 2014 г.). «Динамика дефектов в активных нематиках» . Фил. Пер. R. Soc. . 372 (2029): 20130365. arXiv : 1403.5254 . Bibcode : 2014RSPTA.37230365G . DOI : 10,1098 / rsta.2013.0365 . ISSN 1364-503X . PMC 4223672 . PMID 25332389 .
- ^ Elgeti, J .; Кейтс, штат Мэн; Марендуццо, Д. (22 марта 2011 г.). «Гидродинамика дефектов в двумерных полярных активных жидкостях». Мягкая материя . 7 (7): 3177. Bibcode : 2011SMat .... 7.3177E . DOI : 10.1039 / c0sm01097a . ISSN 1744-6848 .
- ^ а б Гросманн, Роберт; Романчук, Павел; Бэр, Маркус; Шиманский-Гейер, Лутц (2014-12-19). «Вихревые массивы и мезомасштабная турбулентность самодвижущихся частиц». Письма с физическим обзором . 113 (25): 258104. arXiv : 1404.7111 . Bibcode : 2014PhRvL.113y8104G . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.113.258104 . PMID 25554911 .
- ^ Тонер, Джон; Ту, Юхай (1998-10-01). «Стаи, стада и школы: количественная теория стада». Physical Review E . 58 (4): 4828–4858. arXiv : cond-mat / 9804180 . Bibcode : 1998PhRvE..58.4828T . DOI : 10.1103 / PhysRevE.58.4828 .
- ^ Wensink, Henricus H .; Дункель, Йорн; Хайденрайх, Себастьян; Дрешер, Кнут; Goldstein, Raymond E .; Лёвен, Хартмут; Йоманс, Джулия М. (2012). «Мезомасштабная турбулентность в живых жидкостях» . Труды Национальной академии наук . 109 (36): 14308–14313. arXiv : 1208,4239 . Bibcode : 2012PNAS..10914308W . DOI : 10.1073 / pnas.1202032109 . ISSN 0027-8424 . PMC 3437854 . PMID 22908244 .
- ^ Маджумдар, Апала ; Cristina, Marchetti M .; Вирга, Эпифанио Г. (28 ноября 2014 г.). «Перспективы активных жидких кристаллов» . Фил. Пер. R. Soc. . 372 (2029): 20130373. Bibcode : 2014RSPTA.37230373M . DOI : 10,1098 / rsta.2013.0373 . ISSN 1364-503X . PMC 4223676 . PMID 25332386 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )