血液、淋巴液和其他生物液体可能具有令人惊讶的、有时令人不安的特性。这些生物溶液中有许多是非牛顿流体，这是一种以应力和应变之间的非线性关系为特征的液体。因此，非牛顿流体并不一定表现出人们对液体的期望。例如，其中一些特殊的液体在轻触时会变形，但在强力作用下却几乎像固体一样。
当涉及到独特的特性时，生物解决方案也不例外——其中之一就是弹性湍流。描述在含水的液体中加入少量聚合物而产生的混沌流体运动的术语。这种类型的湍流只存在于非牛顿流体中。
与之对应的是经典湍流，发生在牛顿流体中，例如，当河水高速流过桥柱时。虽然存在数学理论来描述和预测经典湍流，但弹性湍流仍然等待这样的工具，尽管它们对生物样品和工业应用很重要。
“这种现象在微流体中很重要，例如在混合小体积聚合物溶液时，这可能很困难。它们不能很好地混合，因为非常平滑的流动，”复杂流体和流动部门负责人Marco Edoardo Rosti教授解释说。
到目前为止，科学家们认为弹性湍流与经典湍流完全不同，但该实验室在《自然通讯》杂志上发表的文章可能会改变这种观点。OIST的研究人员与印度TIFR和瑞典NORDITA的科学家合作，揭示了弹性湍流与经典牛顿湍流的共同点比预期的要多。
“我们的研究结果表明，弹性湍流具有普遍的能量幂律衰减和迄今未知的间歇性行为。这些发现使我们能够从一个新的角度看待弹性湍流问题，”Rosti教授解释说。在描述气流时，科学家经常使用速度场。该论文的第一作者拉胡尔·k·辛格博士说:“我们可以通过观察流速波动的分布来对水流进行统计预测。”
在研究经典牛顿湍流时，研究人员测量整个气流的速度，并利用两点之间的差值来创建一个速度差场。
“在这里，我们测量三个点的速度，并计算第二个差值。首先，通过减去在两个不同点测量的流体速度来计算差值。然后我们再减去两个这样的第一个差异，就得到了第二个差异，”辛格博士解释说。
这种类型的研究带来了额外的挑战——运行这些复杂的模拟需要先进的超级计算机的能力。“我们的模拟有时运行四个月，输出大量数据，”Rosti教授说。
这种增加的细节导致了一个惊人的发现——弹性湍流中的速度场是间歇性的。为了说明间歇性血流是什么样子，辛格博士用心电图(ECG)作为一个例子。
在心电图测量中，信号有很小的波动，被非常尖锐的峰值打断。这种突然的大爆发被称为间歇性，”辛格博士说。
在经典流体中，已经描述了这种小值和非常大值之间的波动，但仅适用于在高流速下发生的湍流。研究人员现在惊讶地发现，在非常小的流速下，弹性湍流也出现了同样的模式。“在如此低的速度下，我们没有预料到在速度信号中会发现如此强烈的波动，”辛格博士说。
他们的发现不仅朝着更好地理解低速湍流背后的物理学迈出了一大步，而且为发展描述弹性湍流的完整数学理论奠定了基础。“有了一个完美的理论，我们就可以预测流动和设计可以改变液体混合的装置。这在处理生物解决方案时可能很有用，”Rosti教授说。
