[논문 리뷰] Concentration banding instability of a sheared bacterial suspension

Laxminarsimharao, Piyush Garg외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 23.

Micro and Nano Robotics인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 장거리 수소역학적 상호작용에 의해 유도되는 박테리아 분산계에서의 전단 유도 불안정성을 제안하며, 전단 조건 하에서 농도 및 속도 층상 불안정성의 지수적 증가를 이끌어낸다. 비선형 시뮬레이션은 국소적 박테리아 농도 감소를 동반한 기울기 기반의 속도 프로파일 형성을 확인하여 최근 실험에서 관측된 추가 메커니즘 없이도 전단 띠 형성 현상을 설명한다.

ABSTRACT

We demonstrate a novel shear-induced mechanism for growth of concentration fluctuations in a bacterial suspension. Using a linear stability analysis, a homogeneously sheared suspension is shown to support exponentially growing layering perturbations in the shear-rate and bacterial concentration. Non-linear simulations show that the instability eventually leads to gradient-banded velocity profiles, with a local depletion of bacteria at the interface between the bands. Our results show that long-ranged hydrodynamic interactions are sufficient to explain recent observations of shear-bands in bacterial suspensions.

연구 동기 및 목표

• 실험적으로 관측된 박테리아 분산계에서의 전단 띠 현상의 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• 장거리 수소역학적 상호작용만으로도 농도 및 속도 띠의 형성 여부를 확인하는 것.
• 전단된 박테리아 분산계의 선형 안정성 분석을 수행하고 층상 불안정성의 증식을 규명하는 것.
• 불안정성의 비선형 진화를 시뮬레이션하여 유동 및 농도 구조의 결과를 예측하는 것.
• 실험에서 관측된 띠 인터페이스에서의 국소적 박테리아 감소 현상을 설명하는 것.

제안 방법

• 균일하게 전단된 박테리아 분산계에 대해 선형 안정성 분석을 수행하여 전단률 및 농도 분야에서 지수적으로 증가하는 불안정성의 존재를 규명하는 것.
• 저 레이놀즈 수 흐름에 대한 스토크스릿 근사와 일관된 장거리 수소역학적 상호작용을 모델링하는 것.
• 전단 조건 하에서 유체 및 박테리아 농도 분야의 운동 및 연속 방정식을 선형화하고 이를 해석하는 것.
• 비선형 시뮬레이션을 수행하여 선형 영역을 초월한 불안정성의 진화를 추적하는 것.
• 유동 프로파일을 분석하여 기울기 기반의 띠 형성된 구조와 뚜렷한 속도 및 농도 기울기의 존재를 규명하는 것.
• 띠 인터페이스에서의 박테리아 분포를 분석하여 국소적 감소 정도를 정량화하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장거리 수소역학적 상호작용만으로도 박테리아 분산계에서 전단 띠 형성이 유도될 수 있는가?
• RQ2 전단 하에서 농도 및 속도 층상 현상을 유도하는 불안정성 메커니즘의 성격은 무엇인가?
• RQ3 불안정성의 선형 증식률은 관측된 띠 형성 패tern과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 비선형 영역에서 띠 인터페이스에서의 박테리아 감소는 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 시뮬레이션된 속도 및 농도 프로파일은 실험 관측 결과와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 선형 안정성 분석은 전단률 및 박테리아 농도 분야에서 지수적으로 증가하는 층상 불안정성의 존재를 규명하였다.
• 비선형 시뮬레이션은 불안정성이 안정된 기울기 기반의 속도 프로파일로 진화하며 뚜렷한 농도 기울기가 존재하는 것을 보여주었다.
• 띠 간섭면에서 항상 국소적 박테리아 감소가 관측되었으며, 이는 실험 관측과 일치하였다.
• 불안정성은 추가적인 힘 또는 상호작용 없이 장거리 수소역학적 상호작용에 의해 유일하게 유도되었다.
• 이 메커니즘은 복잡한 륨적 또는 콜로이드적 효과를 도입하지 않고도 최근의 실험 보고서에서 관측된 박테리아 분산계의 전단 띠 현상을 설명할 수 있다.
• 시스템은 전단 하에서의 균일한 유동에서 불안정성의 내재적 성질로 인해 비균일하고 띠로 분리된 상태로 전이된다.