[論文レビュー] Active Turbulence

Ricard Alert, Jaume Casademunt+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Micro and Nano Robotics参考文献 165被引用数 4

ひとこと要約

本レビューは、運動量保存を伴う・伴わない極性およびネマチックなアクティブ流体におけるアクティブ乱流の研究を統合し、普遍的または非普遍的な指数をとるべきべき乗則スケーリングを明らかにした。インertial乱流とは対照的に、エネルギーのスケーリングの欠如は、内在的な長さスケールと自己組織的エネルギー注入に起因する。

ABSTRACT

Active fluids exhibit spontaneous flows with complex spatiotemporal structure, which have been observed in bacterial suspensions, sperm cells, cytoskeletal suspensions, self-propelled colloids, and cell tissues. Despite occurring in the absence of inertia, chaotic active flows are reminiscent of inertial turbulence, and hence they are known as active turbulence. Here, we survey the field, providing a unified perspective over different classes of active turbulence. To this end, we divide our review in sections for systems with either polar or nematic order, and with or without momentum conservation (wet/dry). Comparing to inertial turbulence, we highlight the emergence of power-law scaling with either universal or non-universal exponents. We also contrast scenarios for the transition from steady to chaotic flows, and we discuss the absence of energy cascades. We link this feature to both the existence of intrinsic length scales and the self-organized nature of energy injection in active turbulence, which are fundamental differences with inertial turbulence. We close by outlining the emerging picture, remaining challenges, and future directions.

研究の動機と目的

• バクテリア懸濁液、細胞骨格ネットワーク、細胞組織などの多様な系におけるアクティブ乱流を理解するための統一的フレームワークを提供すること。
• アクティブ乱流とインエラス乱流を比較し、エネルギーのスケーリング欠如と内在的長さスケールの役割に焦点を当てる。
• 湿潤（運動量保存）および乾燥（運動量非保存）系における、アクティブ流体の定常状態から乱流状態への遷移を分析し、それぞれ異なる状況を特定すること。
• 自己組織的エネルギー注入がアクティブ乱流の空間的・時間的複雑性をどのように規定するかを明確にすること。
• アクティブマター物理学分野における未解決の課題と今後の研究方向性を概説すること。

提案手法

• 極性／ネマチック秩序および湿潤／乾燥（運動量保存／非保存）系に分類されたアクティブ乱流の体系的分類。
• アクティブ応力とノイズ項を含む流体力学方程式を用いたアクティブ流体ダイナミクスのモデル化。
• 相関関数および構造因子へのべき乗則フィットを用いたスケーリング行動の分析。
• エネルギー移動メカニズムの比較を通し、アクティブ系において前方エネルギーのスケーリングが存在しないことを強調。
• 相関関数から得られる内在的長さスケールとダイナミックスケーリングの崩壊を用いた同定。
• 臨界行動および混沌状態への遷移を研究するためのレノルマル化群およびモード結合技法の応用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクティブ乱流におけるべき乗則スケーリング指数は、普遍的・非普遍的領域でどのように異なるか？
• RQ2 アクティブ流体における定常状態から乱流状態への遷移を支配するメカニズムは何か？
• RQ3 なぜアクティブ乱流系ではインエラス乱流とは異なりエネルギーのスケーリングが存在しないのか？
• RQ4 内在的長さスケールと自己組織的エネルギー注入は、アクティブ乱流のダイナミクスにどのように寄与するか？
• RQ5 運動量保存と流れの構造という観点から、湿潤と乾燥のアクティブ乱流にはどのような主な相違点があるか？

主な発見

• アクティブ乱流は相関関数においてべき乗則スケーリングを示し、その指数は系の対称性および保存則に応じて普遍的または非普遍的となる。
• アクティブ乱流におけるエネルギーのスケーリング欠如は、自己組織的・局所的エネルギー注入および内在的長さスケールの存在に起因する。
• インエラス乱流は前方エネルギーのスケーリングを示すが、アクティブ乱流では運動量保存の欠如とアクティブ応力の優位性により、このようなスケーリングが存在しない。
• 極性秩序を持つ系は、運動量保存の有無に関わらずネマチック系とは異なる流れのパターンとスケーリング行動を示す。
• 湿潤（運動量保存）および乾燥（運動量非保存）系における、アクティブ流体の定常状態から乱流状態への遷移は、それぞれ異なるメカニズムによって支配される。
• アクティブ乱流における顕在的長さスケールは、アクティブ応力、流体力学的相互作用、ノイズの相乗作用によって生じ、システムのダイナミックスケーリングに影響を与える。