揭开聚合物流中的隐秘湍流：一场物流革命的探索之旅

湍流，这种导致我们在飞机上有时感到颠簸的混乱、不规则运动，几个世纪以来一直引起科学家的兴趣。在冲绳科学技术大学（OIST），研究人员正在探索这种现象，研究一种叫做复杂流体的特殊材料。

与水等简单流体不同，复杂流体的行为介于液体和固体之间的状态。例如，当长链分子称为聚合物被添加到流体中时，它们可以显著改变流体的湍流特性，并影响其流动方式。这些聚合物流体，作为复杂流体的一类，随处可见，比如洗发水、洗碗液、洗手液，甚至番茄酱。

聚合物流体流动的基本物理机制仍然不清楚，也是一个广泛研究的课题。理解这一点对靶向药物输送等应用非常重要，因为流动行为会影响药物释放的速度。但是，聚合物流体中惯性和弹性等因素的复杂相互作用意味着可能出现广泛的湍流行为，这使得理清潜在的动力学变得很有挑战性。

直到最近，科学家们认为在不同条件下会出现两种不同类型的湍流。惯性湍流是经典形式，出现在飞机遇到湍流时空气的混乱运动中。当流体的惯性力占主导地位时，就会出现这种现象，产生高度不规则的流动。

另一种类型，称为弹性湍流，这种湍流比较不寻常。想象一下在水中搅拌油漆的情景。即使搅拌得很慢很温和，流体也会突然以不可预测的方式旋转起来。这是因为流体中的聚合物会拉伸并储存弹性能量，导致流动不稳定。在这种情况下，弹性力主导了流动。研究人员曾认为，惯性湍流只出现在快速和大规模的流动中，而弹性湍流则仅限于非常缓慢和温和的流动。

现在，OIST复杂流体与流动单元的研究人员在一项新的研究中 发表 在 物理评论快报 上，已经表明这两种湍流形式实际上是共存的。通过先进的计算机模拟，研究团队发现，尽管大规模流体运动表现得像惯性湍流，但在最微小的尺度上，这种流动会转变为弹性湍流。

“本研究所需的模拟是前所未有的，”该研究的第一作者皮尤什·加尔博士说。“在这么小的尺度上捕捉信息，需要一个能高效运行超高分辨率模型的计算系统。实现这种细节水平对于揭示这一现象至关重要，这或许能解释为什么之前从未观察到这一现象。事实上，这是针对这类流体进行的最大规模模拟。”

研究结果表明，弹性湍流比之前认为的要普遍得多。“直到现在，我们一直认为弹性湍流只会出现在非常缓慢、温和的流动中，那时惯性几乎为零。我们的研究表明，这并不是事实。我们发现弹性湍流也出现在聚合物流体的小尺度上，与惯性湍流同时出现。换句话说，这两种湍流在同一流动中同时存在，只是尺度不同，”加尔博士解释道。

“这一发现连接了两个之前被认为是独立的湍流和复杂流体研究领域。这是OIST跨学科研究环境的成果，研究人员可以在这里分享见解，解决来自不同领域的开放问题，”复杂流体与流动单元负责人、论文共同作者马尔科·罗斯蒂教授补充道。

研究发现，弹性湍流可以在惯性聚合物流中出现，这项研究可能为我们理解湍流提供了一个关键的缺失环节。这项研究对依赖聚合物来控制流体行为的行业可能产生潜在影响，比如在管道中减少阻力、化学混合和生物医学应用。