Sangue, fluido linfático e outros líquidos biológicos podem ter propriedades surpreendentes e às vezes preocupantes. Muitas dessas soluções biológicas são fluidos não newtonianos, um tipo de líquido que se caracteriza por uma relação não linear entre tensão e deformação. Consequentemente, os fluidos não newtonianos não se comportam necessariamente como seria de esperar de um líquido. Por exemplo, alguns desses fluidos peculiares deformam-se quando tocados levemente, mas agem quase como sólidos quando uma força forte é aplicada.



E as soluções biológicas não são exceção quando se trata de propriedades únicas – uma delas é a turbulência elástica. Termo que descreve o movimento caótico do fluido resultante da adição de polímeros em pequenas concentrações a líquidos aquosos. Este tipo de turbulência existe apenas em fluidos não newtonianos.

Sua contrapartida é a turbulência clássica, que ocorre em fluidos newtonianos, por exemplo, em um rio, quando a água passa em alta velocidade pelo pilar de uma ponte. Embora existam teorias matemáticas para descrever e prever a turbulência clássica, a turbulência elástica ainda aguarda tais ferramentas, apesar de sua importância para amostras biológicas e aplicações industriais.

"Este fenômeno é importante em microfluídica, por exemplo, ao misturar pequenos volumes de soluções poliméricas, o que pode ser difícil. Eles não se misturam bem devido ao fluxo muito suave", explica o Prof. Marco Edoardo Rosti, chefe do Complex Fluids and Flows Unidade.

Até agora, os cientistas pensavam na turbulência elástica como completamente diferente da turbulência clássica, mas a publicação do Laboratório na revista Nature Communications pode mudar essa visão. Pesquisadores do OIST trabalharam em colaboração com cientistas do TIFR na Índia e do NORDITA na Suécia para revelar que a turbulência elástica tem mais em comum com a turbulência newtoniana clássica do que o esperado.

"Nossos resultados mostram que a turbulência elástica tem um decaimento de energia universal e um comportamento intermitente até agora desconhecido. Essas descobertas nos permitem olhar para o problema da turbulência elástica de um novo ângulo, "explica o Prof. Ao descrever um fluxo, os cientistas costumam usar um campo de velocidade. “Podemos observar a distribuição das flutuações de velocidade para fazer previsões estatísticas sobre o fluxo”, diz o Dr. Rahul K. Singh, primeiro autor da publicação.

Ao estudar a turbulência newtoniana clássica, os pesquisadores medem a velocidade em todo o fluxo e usam a diferença entre dois pontos para criar um campo de diferença de velocidade.

"Aqui medimos a velocidade em três pontos e calculamos as segundas diferenças. Primeiro, uma diferença é calculada subtraindo as velocidades dos fluidos medidas em dois pontos diferentes. Em seguida, subtraímos duas dessas primeiras diferenças mais uma vez, o que nos dá a segunda diferença, "explica o Dr. .

Esse tipo de pesquisa trouxe um desafio adicional:executar essas simulações complexas requer o poder de supercomputadores avançados. “Nossas simulações às vezes duram quatro meses e produzem uma enorme quantidade de dados”, diz o Prof.

Este nível adicional de detalhe levou a uma descoberta surpreendente – que o campo de velocidade na turbulência elástica é intermitente. Para ilustrar como é a intermitência no fluxo, o Dr. Singh usa o eletrocardiograma (ECG) como exemplo.

"Em uma medição de ECG, o sinal apresenta pequenas flutuações interrompidas por picos muito acentuados. Essa grande explosão repentina é chamada de intermitência", diz o Dr. Singh.

Em fluidos clássicos, tais flutuações entre valores pequenos e muito grandes já haviam sido descritas, mas apenas para turbulências que ocorrem em altas velocidades de fluxo. Os pesquisadores ficaram surpresos ao encontrar agora o mesmo padrão na turbulência elástica que ocorre em velocidades de fluxo muito pequenas. "Nestas baixas velocidades não esperávamos encontrar flutuações tão fortes no sinal de velocidade", diz o Dr. Singh.

Suas descobertas não são apenas um grande passo para uma melhor compreensão da física por trás da turbulência de baixa velocidade, mas também estabelecem as bases para o desenvolvimento de uma teoria matemática completa que descreve a turbulência elástica. “Com uma teoria perfeita, poderíamos fazer previsões sobre o fluxo e projetar dispositivos que podem alterar a mistura de líquidos. Isso pode ser útil ao trabalhar com soluções biológicas”, diz o Prof.