[논문 리뷰] Active Turbulence

Ricard Alert, Jaume Casademunt외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 05.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 165인용 수 4

한 줄 요약

이 리뷰는 운동량 보존 여부에 관계없이 극성 및 나혜성 활성 유체에서의 활성 난류를 통합적으로 다루며, 보편적 또는 비보편적 지수를 가진 멱법칙 스케일링을 드러낸다. 관성 난류와의 대비에서 에너지 전이의 부재는 내재된 길이 척도와 자가조직화된 에너지 주입으로 인해 발생한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 세균 분말, 세라티컬 네트워크, 세포 조직과 같은 다양한 시스템에서 활성 난류를 이해하기 위한 통합적 프레임워크를 제공하는 것.
• 관성 난류와의 비교를 통해 에너지 전이의 부재와 내재된 길이 척도의 역할을 집중적으로 다루는 것.
• 습한(운동량 보존) 및 마른(운동량 비보존) 시스템에서의 활성 유체에서 정적인 흐름에서 난류 흐름으로의 전이를 분석하여 각기 다른 시나리오를 규명하는 것.
• 자기조직화된 에너지 주입이 활성 난류의 시공간 복잡성에 미치는 역할를 명확히 하는 것.
• 활성 물질 물리학 분야에서의 열린 과제와 향후 연구 방향을 요약하는 것.

제안 방법

• 극성/나혜성 질서와 습도/건도(운동량 보존/비보존) 시스템을 기반으로 활성 난류를 네 가지 범주로 체계적으로 분류하는 것.
• 활성 응력과 노이즈 항목을 포함한 유체역학 방정식을 사용하여 활성 유체 역학을 모델링하는 것.
• 상관 함수와 구조 인자에 대한 멱법칙 피팅을 통한 스케일링 행동 분석.
• 에너지 전달 메커니즘의 비교를 통해 활성 시스템에서의 정방향 에너지 전이가 부재하다는 점을 강조하는 것.
• 상관 함수로부터 유도된 내재된 길이 척도와 동적 스케일링 콜라프스를 통한 분석.
• 임계 행동과 혼돈으로의 전이를 연구하기 위해 재규합군 및 모드 결합 기법의 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활성 난류에서의 멱법칙 스케일링 지수는 보편적 및 비보편적 영역에서 어떻게 다를까?
• RQ2 활성 유체에서 정적인 흐름에서 난류 흐름으로의 전이는 어떤 메커니즘으로 이루어지는가?
• RQ3 왜 활성 난류 시스템은 관성 난류와 달리 에너지 전이가 없는가?
• RQ4 내재된 길이 척도와 자기조직화된 에너지 주입은 활성 난류의 역학을 어떻게 형상화하는가?
• RQ5 운동량 보존과 유동 구조 측면에서 습도와 건도 활성 난류의 주요 차이는 무엇인가?

주요 결과

• 활성 난류는 상관 함수에서 멱법칙 스케일링을 보이며, 지수는 시스템의 대칭성과 보존 법칙에 따라 보편적 또는 비보편적일 수 있다.
• 활성 난류에서 에너지 전이의 부재는 자기조직화된 국소적 에너지 주입과 내재된 길이 척도의 존재로 기인한다.
• 관성 난류는 정방향 에너지 전이를 보이며, 반면 활성 난류는 운동량 보존의 부재와 활성 응력의 지배적 영향로 인해 이러한 전이가 없다.
• 극성 질서를 가진 시스템은 운동량 보존이 존재할 경우 나혜성 시스템과 비교해 뚜렷한 유동 패tern과 스케일링 행동을 보인다.
• 습한(운동량 보존) 및 마른(운동량 비보존) 시스템에서 활성 유체에서 정적인 흐름에서 난류 흐름으로의 전이는 서로 다른 메커니즘에 의해 지배된다.
• 활성 난류에서의 잠재적 길이 척도는 활성 응력, 유체역학적 상호작용, 노이즈 간의 상호작용으로부터 유래되며, 이는 시스템의 동적 스케일링에 영향을 준다.