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科学者らは、弾性乱流が予想以上に古典的なニュートン乱流と共通点が多いことを明らかにした。

弾性乱流で伸びるポリマー。液体中のポリマーは微小なバネのように機能し、流体の動きによって伸び、収縮するとエネルギーを流体に戻します。画像提供：Marco E. Rosti教授/OIST 血液、リンパ液、その他の生体液には、驚くべき、時には厄介な特性があります。これらの生体液の多くは非ニュートン流体で、応力と歪みの関係が非線形であるという特徴を持つ液体です。そのため、非ニュートン流体は必ずしも液体に期待されるような挙動を示すわけではありません。たとえば、これらの特殊な液体の中には、軽く触れると変形しますが、強い力を加えるとほぼ固体のように動作するものがあります。 生物学的ソリューションも、そのユニークな特性に関しては例外ではありません。その 1 つが弾性乱流です。これは、水っぽい液体に低濃度のポリマーを加えた結果生じる混沌とした流体の動きを表す用語です。このタイプの乱流は、非ニュートン流体にのみ存在します。 これに対応するのが古典的乱流で、ニュートン流体で発生します。たとえば、川の水が高速で橋の柱を通り過ぎるときなどです。古典的乱流を説明および予測するための数学理論は存在しますが、弾性乱流は生物学的サンプルや産業用途にとって重要であるにもかかわらず、そのようなツールがまだ必要とされています。 「この現象はマイクロ流体工学において重要です。例えば、少量のポリマー溶液を混ぜるのは難しい場合があります。非常に滑らかな流れのため、うまく混ざらないのです」と、複雑流体・流れユニットの責任者であるマルコ・エドアルド・ロスティ教授は説明します。 これまで科学者は弾性乱流を古典的乱流とは全く異なるものとみなしてきたが、この研究室の論文は ネイチャーコミュニケーションズ この見解を変えるかもしれない。OISTの研究者らは、インドのTIFRおよびスウェーデンのNORDITAの科学者らと共同で、弾性乱流は予想以上に古典的なニュートン乱流と共通点が多いことを明らかにした。 「我々の研究結果は、弾性乱流が普遍的なべき乗法則に従ってエネルギーが減衰し、これまで知られていなかった断続的な挙動を示すことを示しています。これらの発見により、弾性乱流の問題を新たな角度から検討できるようになりました」とロスティ教授は説明します。流れを説明する際、科学者は速度場をよく使用します。「速度変動の分布を調べることで、流れに関する統計的予測を行うことができます」と、この論文の第一著者であるラフル・K・シン博士は述べています。 古典的なニュートン乱流を研究する場合、研究者は流れ全体の速度を測定し、2 点間の差を使用して速度差場を作成します。 「ここでは、3 点で速度を測定し、2 番目の差を計算します。まず、2 つの異なる点で測定された流体速度を減算して差を計算します。次に、このような最初の差をもう一度 2 つ減算して、2 番目の差を求めます」とシン博士は説明します。 この種の研究には、さらなる課題が伴う。複雑なシミュレーションを実行するには、高度なスーパーコンピューターのパワーが必要だ。「私たちのシミュレーションは、ときには 4 か月間実行され、膨大な量のデータが出力されることもあります」とロスティ教授は言う。 この詳細なレベルの追加により、弾性乱流の速度場は断続的であるという驚くべき発見が生まれました。流れの断続性がどのようなものかを説明するために、シン博士は心電図 (ECG) を例に挙げています。 「心電図測定では、信号には非常に鋭いピークによって中断される小さな変動があります。この突然の大きなバーストは間欠性と呼ばれます」とシン博士は言います。 古典的な流体では、このような小さな値と非常に大きな値の間の変動はすでに説明されていましたが、それは高流速で発生する乱流についてのみでした。研究者たちは、非常に低い流速で発生する弾性乱流で同じパターンを発見したことに驚きました。「このような低速では、速度信号にこれほど大きな変動が見られるとは予想していませんでした」とシン博士は言います。 彼らの研究結果は、低速乱流の背後にある物理学をより深く理解するための大きな一歩であるだけでなく、弾性乱流を説明する完全な数学理論を開発するための基礎を築くものでもあります。「完璧な理論があれば、流れを予測し、液体の混合を変更できるデバイスを設計できます。これは生物学的ソリューションを扱うときに役立つ可能性があります」とロスティ教授は述べています。 詳しくは： Rahul K. Singh 他「それほど滑らかではない弾性乱流における間欠性」 ネイチャーコミュニケーションズ （2024年）。…