Krv, limfna tečnost i druge biološke tečnosti mogu imati iznenađujuća, a ponekad i zabrinjavajuća svojstva. Mnoga od ovih bioloških rastvora su nenjutnovske tečnosti, vrsta tečnosti koju karakteriše nelinearni odnos između stresa i naprezanja. Shodno tome, ne-njutnovske tečnosti ne moraju se nužno ponašati onako kako bi se očekivalo od tečnosti. Na primer, neke od ovih neobičnih tečnosti se deformišu kada ih se lagano dodirne, ali će delovati skoro kao čvrsta tela kada se primeni jaka sila.
I biološka rešenja nisu izuzetak kada su u pitanju jedinstvena svojstva – jedno od njih je elastična turbulencija. Termin koji opisuje haotično kretanje tečnosti koje je rezultat dodavanja polimera u malim koncentracijama vodenim tečnostima. Ova vrsta turbulencije postoji samo u nenjutnovskim tečnostima.
Njegov pandan je klasična turbulencija, koja se javlja u njutnovskim tečnostima, na primer u reci kada voda velikom brzinom teče pored stuba mosta. Dok matematičke teorije postoje za opisivanje i predviđanje klasične turbulencije, elastična turbulencija još uvek čeka takve alate uprkos njihovoj važnosti za biološke uzorke i industrijske primene.
„Ovaj fenomen je važan u mikrofluidici, na primer kada se mešaju male količine polimernih rastvora što može biti teško. Ne mešaju se dobro zbog veoma glatkog toka“, objašnjava prof. Marko Edoardo Rosti, šef odeljenja za kompleksne tečnosti i tokove Jedinica.
Do sada su naučnici smatrali da je elastična turbulencija potpuno drugačija od klasične turbulencije, ali bi publikacija Laboratorije u časopisu Nature Communications mogla promeniti ovaj pogled. Istraživači iz OIST-a su sarađivali sa naučnicima iz TIFR-a u Indiji i NORDITA-e u Švedskoj kako bi otkrili da elastična turbulencija ima više zajedničkog sa klasičnom Njutnovom turbulencijom nego što se očekivalo.
„Naši rezultati pokazuju da elastična turbulencija ima univerzalni stepen raspadanja energije i do sada nepoznato isprekidano ponašanje. Ovi nalazi nam omogućavaju da sagledamo problem elastične turbulencije iz novog ugla“, objašnjava prof. Rosti. Kada opisuju protok, naučnici često koriste polje brzine. „Možemo da pogledamo distribuciju fluktuacija brzine da bismo napravili statistička predviđanja o protoku“, kaže dr Rahul K. Sing, prvi autor publikacije.
Kada proučavaju klasičnu Njutnovu turbulenciju, istraživači mere brzinu preko celog toka i koriste razliku između dve tačke da bi stvorili polje razlike u brzinama.
„Ovde merimo brzinu u tri tačke i izračunavamo druge razlike. Prvo, razlika se izračunava oduzimanjem brzina fluida izmerenih u dve različite tačke. Zatim još jednom oduzimamo dve takve prve razlike, što nam daje drugu razliku“, objašnjava dr. Singh.
Ova vrsta istraživanja došla je sa dodatnim izazovom — pokretanje ovih složenih simulacija zahteva snagu naprednih superkompjutera. „Naše simulacije ponekad traju četiri meseca i daju ogromnu količinu podataka“, kaže prof. Rosti.
Ovaj dodatni nivo detalja doveo je do iznenađujućeg nalaza – da je polje brzine u elastičnoj turbulenciji isprekidano. Da bi ilustrovao kako izgleda intermitentnost u protoku, dr Sing koristi elektrokardiogram (EKG) kao primer.
„U EKG merenju signal ima male fluktuacije prekinute veoma oštrim vrhovima. Ovaj iznenadni veliki nalet naziva se intermitentnost“, kaže dr Sing.
U klasičnim fluidima, takve fluktuacije između malih i veoma velikih vrednosti su već opisane, ali samo za turbulenciju koja se javlja pri velikim brzinama protoka. Istraživači su bili iznenađeni što su sada pronašli isti obrazac u elastičnoj turbulenciji koja se javlja pri veoma malim brzinama protoka. „Pri ovim malim brzinama nismo očekivali da ćemo naći tako jake fluktuacije u signalu brzine“, kaže dr Sing.
Njihovi nalazi nisu samo veliki korak ka boljem razumevanju fizike iza turbulencije malih brzina, već i postavljaju temelje za razvoj kompletne matematičke teorije koja opisuje elastičnu turbulenciju. „Sa savršenom teorijom, mogli bismo da predvidimo protok i dizajniramo uređaje koji mogu da promene mešanje tečnosti. Ovo bi moglo biti korisno kada se radi sa biološkim rastvorima“, kaže prof. Rosti.
