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Fluido activo

Octubre 07, 2021

Un fluido activo es un material blando denso cuyos constituyentes pueden autopropulsarse.[1]​[2]​[3]​[4]​ Los ejemplos incluyen suspensiones densas de bacterias, redes de microtúbulos o nadadores artificiales.[2]​ Estos materiales caen en la amplia categoría de materia activa y difieren significativamente en sus propiedades comparándolas con las de los fluidos pasivos,[5]​ que pueden describirse utilizando la ecuación de Navier-Stokes. Aunque los sistemas clasificables como fluidos activos se han observado e investigado en diferentes contextos durante un largo tiempo, el interés científico en las propiedades directamente relacionadas con la actividad ha aumentado únicamente en las últimas dos décadas. Estos materiales han mostrado una gran variedad de fases diferentes desde los patrones bien ordenados hasta estados caóticos. Las investigaciones experimentales recientes han sugerido que las distintas fases dinámicas exhibidas por los fluidos activos pueden tener importantes aplicaciones tecnológicas.[6]​[7]​

Terminología

Los términos «fluidos activos», «nemática activa» y «cristales líquidos activos» se han utilizado casi como sinónimos para denotar las descripciones hidrodinámicas de materia activa densa.[2]​[8]​[9]​[10]​ Aunque en muchos aspectos describen el mismo fenómeno, existen diferencias sutiles entre ellos. «Nemática activa» y «cristales líquidos activos» se refieren a sistemas donde los elementos constituyentes tienen orden nemático, mientras que «fluidos activos» es el término más genérico que combina sistemas con interacciones tanto nemáticas como polares.

Ejemplos y observaciones

Existe un amplio rango de elementos celulares e intracelulares que forman fluidos activos. Estos incluyen sistemas de microtúbulos, bacterias, espermatozoides así como micronadadores inanimados.[2]​ Estos sistemas forman una gran variedad de estructuras como redes regulares e irregulares, así como estados aparentemente aleatorios en dos dimensiones.

Formación de patrones

Los fluidos activos han mostrado organización en redes regulares e irregulares en una amplia variedad de configuraciones. Estas incluyen redes hexagonales de microtúbulos,[11]​ y redes de vórtice regular de espermatozoides.[12]​ Desde un punto de vista topológico, puede considerarse que los elementos constituyentes en los estados cuasiestacionarios de los fluidos activos deben necesariamente ser vórtices. Sin embargo, se sabe poco sobre la escala de estos sistemas.

Turbulencia activa

Los estados caóticos que presentan los fluidos activos se catalogan como turbulencia activa.[13]​ Estos estados son cualitativamente similares a la turbulencia hidrodinámica, y por ello reciben ese nombre. Sin embargo, la investigación reciente ha indicado que las propiedades estadísticas asociadas con estos flujos son bastante diferentesa las de la turbulencia hidrodinámica.[5]​[14]​

Mecanismos y modelos aproximados

El mecanismo detrás de la formación de varias estructuras en los fluidos activos es un área de investigación activa. Se sabe que la formación de estructuras en fluidos activos está íntimamente relacionada con defectos o disclinaciones en el campo del parámetro de orden,[15]​[16]​ el orden de orientación de los agentes constituyentes. Un parte importante de la investigación en fluidos activos involucra modelar la dinámica de estos defectos para estudiar su papel en la formación de patrones y en la dinámica turbulenta en los fluidos activos. Entre las aproximaciones más tempranas y más utilizadas para modelar los fluidos activos están versiones modificadas del modelo de Vicsek.[17]​ Estos modelos han probado capturar los diferentes estados dinámicos exhibidos por los fluidos activos.[17]​ Aproximaciones más refinadas incluyen la derivación del límite continuo de las ecuaciones de la hidrodinámica para fluidos activos,[18]​[19]​ y la adaptación de la teoría de cristales líquidos incluyendo los términos de actividad.[13]​

Aplicaciones potenciales

Se ha propuesto un pequeño número de aplicaciones para los fluidos activos, como el suministro en motores moleculares utilizando la turbulencia activa y los estados de patrones.[7]​ Además, dado el amplio número de aplicaciones de los cristales líquidos en distintas tecnologías, ha habido propuestas para aumentarlas utilizando cristales líquidos activos.[20]​

Véase también

Referencias

  1. Morozov, Alexander (24 de marzo de 2017). «From chaos to order in active fluids». Science (en inglés) 355 (6331): 1262-1263. Bibcode:2017Sci...355.1262M. ISSN 0036-8075. PMID 28336624. doi:10.1126/science.aam8998. 
  2. ↑ Saintillan, David (2018). «Rheology of Active Fluids». Annual Review of Fluid Mechanics 50 (1): 563-592. Bibcode:2018AnRFM..50..563S. doi:10.1146/annurev-fluid-010816-060049. 
  3. Marchetti, M. C.; Joanny, J. F.; Ramaswamy, S.; Liverpool, T. B.; Prost, J.; Rao, Madan; Simha, R. Aditi (19 de julio de 2013). «Hydrodynamics of soft active matter». Reviews of Modern Physics 85 (3): 1143-1189. Bibcode:2013RvMP...85.1143M. doi:10.1103/RevModPhys.85.1143. 
  4. Rheology of complex fluids. Deshpande, Abhijit, Y. (Abhijit Yeshwa), Murali Krishnan, J., Sunil Kumar, P. B. New York: Springer. 2010. p. 193. ISBN 9781441964946. OCLC 676699967. 
  5. ↑ Bratanov, Vasil; Jenko, Frank; Frey, Erwin (8 de diciembre de 2015). «New class of turbulence in active fluids». Proceedings of the National Academy of Sciences (en inglés) 112 (49): 15048-15053. Bibcode:2015PNAS..11215048B. ISSN 0027-8424. PMC 4679023. PMID 26598708. doi:10.1073/pnas.1509304112. 
  6. Yeomans, Julia M. (November 2014). «Playful topology». Nature Materials (en inglés) 13 (11): 1004-1005. Bibcode:2014NatMa..13.1004Y. ISSN 1476-4660. PMID 25342530. doi:10.1038/nmat4123. 
  7. ↑ Yeomans, Julia M. (1 de marzo de 2017). «Nature's engines: active matter». Europhysics News (en inglés) 48 (2): 21-25. Bibcode:2017ENews..48b..21Y. ISSN 0531-7479. doi:10.1051/epn/2017204. 
  8. Bonelli, Francesco; Gonnella, Giuseppe; Tiribocchi, Adriano; Marenduzzo, Davide (1 de enero de 2016). «Spontaneous flow in polar active fluids: the effect of a phenomenological self propulsion-like term». The European Physical Journal E (en inglés) 39 (1): 1. ISSN 1292-8941. PMID 26769011. doi:10.1140/epje/i2016-16001-2. 
  9. Keber, Felix C.; Loiseau, Etienne; Sanchez, Tim; DeCamp, Stephen J.; Giomi, Luca; Bowick, Mark J.; Marchetti, M. Cristina; Dogic, Zvonimir et al. (2014). «Topology and dynamics of active nematic vesicles». Science (en inglés) 345 (6201): 1135-1139. Bibcode:2014Sci...345.1135K. ISSN 0036-8075. PMC 4401068. PMID 25190790. doi:10.1126/science.1254784. 
  10. Marenduzzo, D.; Orlandini, E.; Yeomans, J. M. (16 de marzo de 2007). «Hydrodynamics and Rheology of Active Liquid Crystals: A Numerical Investigation». Physical Review Letters 98 (11): 118102. Bibcode:2007PhRvL..98k8102M. PMID 17501095. doi:10.1103/PhysRevLett.98.118102. 
  11. Sumino, Yutaka; Nagai, Ken H.; Shitaka, Yuji; Tanaka, Dan; Yoshikawa, Kenichi; Chaté, Hugues; Oiwa, Kazuhiro (March 2012). «Large-scale vortex lattice emerging from collectively moving microtubules». Nature (en inglés) 483 (7390): 448-452. Bibcode:2012Natur.483..448S. ISSN 1476-4687. PMID 22437613. doi:10.1038/nature10874. 
  12. Riedel, Ingmar H.; Kruse, Karsten; Howard, Jonathon (8 de julio de 2005). «A Self-Organized Vortex Array of Hydrodynamically Entrained Sperm Cells». Science (en inglés) 309 (5732): 300-303. Bibcode:2005Sci...309..300R. ISSN 0036-8075. PMID 16002619. doi:10.1126/science.1110329. 
  13. ↑ Thampi, S. P.; Yeomans, J. M. (1 de julio de 2016). «Active turbulence in active nematics». The European Physical Journal Special Topics (en inglés) 225 (4): 651-662. Bibcode:2016EPJST.225..651T. ISSN 1951-6355. doi:10.1140/epjst/e2015-50324-3. 
  14. James, Martin; Wilczek, Michael (1 de febrero de 2018). «Vortex dynamics and Lagrangian statistics in a model for active turbulence». The European Physical Journal E (en inglés) 41 (2): 21. ISSN 1292-8941. PMID 29435676. doi:10.1140/epje/i2018-11625-8. 
  15. Giomi, Luca; Bowick, Mark J.; Mishra, Prashant; Sknepnek, Rastko; Marchetti, M. Cristina (28 de noviembre de 2014). «Defect dynamics in active nematics». Phil. Trans. R. Soc. A (en inglés) 372 (2029): 20130365. Bibcode:2014RSPTA.37230365G. ISSN 1364-503X. PMC 4223672. PMID 25332389. doi:10.1098/rsta.2013.0365. 
  16. Elgeti, J.; Cates, M. E.; Marenduzzo, D. (22 de marzo de 2011). «Defect hydrodynamics in 2D polar active fluids». Soft Matter (en inglés) 7 (7): 3177. Bibcode:2011SMat....7.3177E. ISSN 1744-6848. doi:10.1039/c0sm01097a. 
  17. ↑ Großmann, Robert; Romanczuk, Pawel; Bär, Markus; Schimansky-Geier, Lutz (19 de diciembre de 2014). «Vortex Arrays and Mesoscale Turbulence of Self-Propelled Particles». Physical Review Letters 113 (25): 258104. Bibcode:2014PhRvL.113y8104G. PMID 25554911. doi:10.1103/PhysRevLett.113.258104. 
  18. Toner, John; Tu, Yuhai (1 de octubre de 1998). «Flocks, herds, and schools: A quantitative theory of flocking». Physical Review E 58 (4): 4828-4858. Bibcode:1998PhRvE..58.4828T. doi:10.1103/PhysRevE.58.4828. 
  19. Wensink, Henricus H.; Dunkel, Jörn; Heidenreich, Sebastian; Drescher, Knut; Goldstein, Raymond E.; Löwen, Hartmut; Yeomans, Julia M. (2012). «Meso-scale turbulence in living fluids». Proceedings of the National Academy of Sciences (en inglés) 109 (36): 14308-14313. Bibcode:2012PNAS..10914308W. ISSN 0027-8424. PMC 3437854. PMID 22908244. doi:10.1073/pnas.1202032109. 
  20. Majumdar, Apala; Cristina, Marchetti M.; Virga, Epifanio G. (28 de noviembre de 2014). «Perspectives in active liquid crystals». Phil. Trans. R. Soc. A (en inglés) 372 (2029): 20130373. Bibcode:2014RSPTA.37230373M. ISSN 1364-503X. PMC 4223676. PMID 25332386. doi:10.1098/rsta.2013.0373. 
  •   Datos: Q55603171

Octubre 07, 2021
fluido, activo, fluido, activo, material, blando, denso, cuyos, constituyentes, pueden, autopropulsarse, ejemplos, incluyen, suspensiones, densas, bacterias, redes, microtúbulos, nadadores, artificiales, estos, materiales, caen, amplia, categoría, materia, act. Un fluido activo es un material blando denso cuyos constituyentes pueden autopropulsarse 1 2 3 4 Los ejemplos incluyen suspensiones densas de bacterias redes de microtubulos o nadadores artificiales 2 Estos materiales caen en la amplia categoria de materia activa y difieren significativamente en sus propiedades comparandolas con las de los fluidos pasivos 5 que pueden describirse utilizando la ecuacion de Navier Stokes Aunque los sistemas clasificables como fluidos activos se han observado e investigado en diferentes contextos durante un largo tiempo el interes cientifico en las propiedades directamente relacionadas con la actividad ha aumentado unicamente en las ultimas dos decadas Estos materiales han mostrado una gran variedad de fases diferentes desde los patrones bien ordenados hasta estados caoticos Las investigaciones experimentales recientes han sugerido que las distintas fases dinamicas exhibidas por los fluidos activos pueden tener importantes aplicaciones tecnologicas 6 7 Indice 1 Terminologia 2 Ejemplos y observaciones 2 1 Formacion de patrones 2 2 Turbulencia activa 3 Mecanismos y modelos aproximados 4 Aplicaciones potenciales 5 Vease tambien 6 ReferenciasTerminologia EditarLos terminos fluidos activos nematica activa y cristales liquidos activos se han utilizado casi como sinonimos para denotar las descripciones hidrodinamicas de materia activa densa 2 8 9 10 Aunque en muchos aspectos describen el mismo fenomeno existen diferencias sutiles entre ellos Nematica activa y cristales liquidos activos se refieren a sistemas donde los elementos constituyentes tienen orden nematico mientras que fluidos activos es el termino mas generico que combina sistemas con interacciones tanto nematicas como polares Ejemplos y observaciones EditarExiste un amplio rango de elementos celulares e intracelulares que forman fluidos activos Estos incluyen sistemas de microtubulos bacterias espermatozoides asi como micronadadores inanimados 2 Estos sistemas forman una gran variedad de estructuras como redes regulares e irregulares asi como estados aparentemente aleatorios en dos dimensiones Formacion de patrones Editar Los fluidos activos han mostrado organizacion en redes regulares e irregulares en una amplia variedad de configuraciones Estas incluyen redes hexagonales de microtubulos 11 y redes de vortice regular de espermatozoides 12 Desde un punto de vista topologico puede considerarse que los elementos constituyentes en los estados cuasiestacionarios de los fluidos activos deben necesariamente ser vortices Sin embargo se sabe poco sobre la escala de estos sistemas Turbulencia activa Editar Los estados caoticos que presentan los fluidos activos se catalogan como turbulencia activa 13 Estos estados son cualitativamente similares a la turbulencia hidrodinamica y por ello reciben ese nombre Sin embargo la investigacion reciente ha indicado que las propiedades estadisticas asociadas con estos flujos son bastante diferentesa las de la turbulencia hidrodinamica 5 14 Mecanismos y modelos aproximados EditarEl mecanismo detras de la formacion de varias estructuras en los fluidos activos es un area de investigacion activa Se sabe que la formacion de estructuras en fluidos activos esta intimamente relacionada con defectos o disclinaciones en el campo del parametro de orden 15 16 el orden de orientacion de los agentes constituyentes Un parte importante de la investigacion en fluidos activos involucra modelar la dinamica de estos defectos para estudiar su papel en la formacion de patrones y en la dinamica turbulenta en los fluidos activos Entre las aproximaciones mas tempranas y mas utilizadas para modelar los fluidos activos estan versiones modificadas del modelo de Vicsek 17 Estos modelos han probado capturar los diferentes estados dinamicos exhibidos por los fluidos activos 17 Aproximaciones mas refinadas incluyen la derivacion del limite continuo de las ecuaciones de la hidrodinamica para fluidos activos 18 19 y la adaptacion de la teoria de cristales liquidos incluyendo los terminos de actividad 13 Aplicaciones potenciales EditarSe ha propuesto un pequeno numero de aplicaciones para los fluidos activos como el suministro en motores moleculares utilizando la turbulencia activa y los estados de patrones 7 Ademas dado el amplio numero de aplicaciones de los cristales liquidos en distintas tecnologias ha habido propuestas para aumentarlas utilizando cristales liquidos activos 20 Vease tambien EditarMateria activa Modelo de Vicsek Ecuaciones de Navier Stokes Materia blandaReferencias Editar Morozov Alexander 24 de marzo de 2017 From chaos to order in active fluids Science en ingles 355 6331 1262 1263 Bibcode 2017Sci 355 1262M ISSN 0036 8075 PMID 28336624 doi 10 1126 science aam8998 a b c d Saintillan David 2018 Rheology of Active Fluids Annual Review of Fluid Mechanics 50 1 563 592 Bibcode 2018AnRFM 50 563S doi 10 1146 annurev fluid 010816 060049 Marchetti M C Joanny J F Ramaswamy S Liverpool T B Prost J Rao Madan Simha R Aditi 19 de julio de 2013 Hydrodynamics of soft active matter Reviews of Modern Physics 85 3 1143 1189 Bibcode 2013RvMP 85 1143M doi 10 1103 RevModPhys 85 1143 Rheology of complex fluids Deshpande Abhijit Y Abhijit Yeshwa Murali Krishnan J Sunil Kumar P B New York Springer 2010 p 193 ISBN 9781441964946 OCLC 676699967 a b Bratanov Vasil Jenko Frank Frey Erwin 8 de diciembre de 2015 New class of turbulence in active fluids Proceedings of the National Academy of Sciences en ingles 112 49 15048 15053 Bibcode 2015PNAS 11215048B ISSN 0027 8424 PMC 4679023 PMID 26598708 doi 10 1073 pnas 1509304112 Yeomans Julia M November 2014 Playful topology Nature Materials en ingles 13 11 1004 1005 Bibcode 2014NatMa 13 1004Y ISSN 1476 4660 PMID 25342530 doi 10 1038 nmat4123 a b Yeomans Julia M 1 de marzo de 2017 Nature s engines active matter Europhysics News en ingles 48 2 21 25 Bibcode 2017ENews 48b 21Y ISSN 0531 7479 doi 10 1051 epn 2017204 Bonelli Francesco Gonnella Giuseppe Tiribocchi Adriano Marenduzzo Davide 1 de enero de 2016 Spontaneous flow in polar active fluids the effect of a phenomenological self propulsion like term The European Physical Journal E en ingles 39 1 1 ISSN 1292 8941 PMID 26769011 doi 10 1140 epje i2016 16001 2 Keber Felix C Loiseau Etienne Sanchez Tim DeCamp Stephen J Giomi Luca Bowick Mark J Marchetti M Cristina Dogic Zvonimir et al 2014 Topology and dynamics of active nematic vesicles Science en ingles 345 6201 1135 1139 Bibcode 2014Sci 345 1135K ISSN 0036 8075 PMC 4401068 PMID 25190790 doi 10 1126 science 1254784 Se sugiere usar numero autores ayuda Marenduzzo D Orlandini E Yeomans J M 16 de marzo de 2007 Hydrodynamics and Rheology of Active Liquid Crystals A Numerical Investigation Physical Review Letters 98 11 118102 Bibcode 2007PhRvL 98k8102M PMID 17501095 doi 10 1103 PhysRevLett 98 118102 Sumino Yutaka Nagai Ken H Shitaka Yuji Tanaka Dan Yoshikawa Kenichi Chate Hugues Oiwa Kazuhiro March 2012 Large scale vortex lattice emerging from collectively moving microtubules Nature en ingles 483 7390 448 452 Bibcode 2012Natur 483 448S ISSN 1476 4687 PMID 22437613 doi 10 1038 nature10874 Riedel Ingmar H Kruse Karsten Howard Jonathon 8 de julio de 2005 A Self Organized Vortex Array of Hydrodynamically Entrained Sperm Cells Science en ingles 309 5732 300 303 Bibcode 2005Sci 309 300R ISSN 0036 8075 PMID 16002619 doi 10 1126 science 1110329 a b Thampi S P Yeomans J M 1 de julio de 2016 Active turbulence in active nematics The European Physical Journal Special Topics en ingles 225 4 651 662 Bibcode 2016EPJST 225 651T ISSN 1951 6355 doi 10 1140 epjst e2015 50324 3 James Martin Wilczek Michael 1 de febrero de 2018 Vortex dynamics and Lagrangian statistics in a model for active turbulence The European Physical Journal E en ingles 41 2 21 ISSN 1292 8941 PMID 29435676 doi 10 1140 epje i2018 11625 8 Giomi Luca Bowick Mark J Mishra Prashant Sknepnek Rastko Marchetti M Cristina 28 de noviembre de 2014 Defect dynamics in active nematics Phil Trans R Soc A en ingles 372 2029 20130365 Bibcode 2014RSPTA 37230365G ISSN 1364 503X PMC 4223672 PMID 25332389 doi 10 1098 rsta 2013 0365 Elgeti J Cates M E Marenduzzo D 22 de marzo de 2011 Defect hydrodynamics in 2D polar active fluids Soft Matter en ingles 7 7 3177 Bibcode 2011SMat 7 3177E ISSN 1744 6848 doi 10 1039 c0sm01097a a b Grossmann Robert Romanczuk Pawel Bar Markus Schimansky Geier Lutz 19 de diciembre de 2014 Vortex Arrays and Mesoscale Turbulence of Self Propelled Particles Physical Review Letters 113 25 258104 Bibcode 2014PhRvL 113y8104G PMID 25554911 doi 10 1103 PhysRevLett 113 258104 Toner John Tu Yuhai 1 de octubre de 1998 Flocks herds and schools A quantitative theory of flocking Physical Review E 58 4 4828 4858 Bibcode 1998PhRvE 58 4828T doi 10 1103 PhysRevE 58 4828 Wensink Henricus H Dunkel Jorn Heidenreich Sebastian Drescher Knut Goldstein Raymond E Lowen Hartmut Yeomans Julia M 2012 Meso scale turbulence in living fluids Proceedings of the National Academy of 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