Tytuł projektu: Badania numeryczne i eksperymentalne sedymentacji chiralnych, splątanych włókien |
Umowa:
UMO-2015/19/D/ST8/03199
Czas realizacji:
2016-07-08 / 2021-07-07
Konsorcjum:
Jedyny wykonawca
Sponsor:
NCN
Typ:
SONATA
Konkurs:
10
Lista wykonawców:
1 | dr | Magdalena Gruziel-Słomka♦ |
♦ kierownik |
Streszczenie:
Głównym celem projektu jest zbadanie dynamiki opadania grawitacyjnego w lepkiej cieczy elastycznych włókien. W szczególności, chcielibyśmy uzyskać zarówno numerycznie jak i eksperymentalnie stacjonarne konfiguracje chiralnych lub achiralnych włókien.
Projekt koncentruje się wokół trzech aspektów dynamiki małych, strukturalnie splątanych włókien opadających w lepkiej cieczy pod wpływem stałej siły. Przede wszystkim będziemy chcieli zbadać rolę oddziaływań hydrodynamicznych (czyli takich oddziaływań, w których pośrednikiem jest ciecz) między ziarnami włókien opadającymi w lepkiej cieczy pod wpływem stałej siły grawitacyjnej. Czy fragmenty włókna będą się odpychały tworząc rozciągniętą pętlę, czy może raczej przeciwnie, przyciągną się tworząc nieregularny zbitek? Ciekawym jest, że same tylko oddziaływania hydrodynamiczne układów trzech, czterech i wielu cząstek mogą być źródłem skomplikowanych choć periodycznych ruchów w tych układach. Przedmiotem naszych zainteresowań będą nieco bardziej skomplikowane obiekty postaci zamkniętych, nierozgałęzionych, elastycznych mikrowłókien reprezentujących węzły o rożnej topologii. Planujemy zbadać wpływ topologii mikrowłókna na jego dynamikę, gdzie topologia węzła na włóknie jest rozumiana jako liczba przecięć w danym układzie i sposób ich realizacji. Jednak nawet dwa topologicznie rownoważne węzły mogą się różnić w kontekście symetrii lustrzanej. Taka własność obiektu nazywana jest chiralnością. Chcielibyśmy zatem dokładniej się przyjrzeć jaki wpływ ma taka własność mikrowłókna na jego ruch.
Planujemy systematyczne badania wpływu kluczowych parametrów włókien na dynamikę ich sedymentacji. Dokładniej, w pierwszej kolejności stworzone zostaną narzędzia, czyli program symulujący dynamikę stokesowską elastycznych, splątanych włókien w polu stałej siły zewnętrznej. Wiadomo już z wcześniejszych doświadczeń sedymentacji sztywnych włókien, iż chiralne obiekty mogą przyjąć płaską konfigurację rozciągniętej pętli, ułożoną w płaszczyźnie prostopadłej do wektora działającej stałej siły i obracać się wokół tej osi. Przy czym kierunek rotacji zależy od skrętności węzła. Wstępne symulacje, które już wykonaliśmy z jednej strony wskazują na istnienie takich stacjonarnych konfiguracji z rotacją wokół osi hydrodynamicznej w przypadku obiektów chiralnych. Z drugiej strony, pokazują dodatkowy, znacznie szybszy, ruch przecięć węzła wokół pętli, którą tworzy. W oparciu o symulacje i doświadczenia chcielibyśmy zbadać jak sztywność włókien, ich rozmiar i topologia wpływają na czas opadania, częstość rotacji wokół osi hydrodynamicznej oraz prędkość dryfu przecięć po pętli węzła.
Dodatkowo chcielibyśmy wykonać serię doświadczeń z wykorzystaniem włókien o rozmiarach rzędu mili- do centymetrów, badających ich opadanie w lepkiej cieczy takiej jak olej silikonowy lub gliceryna. Ponieważ, podobnie jak w symulacjach mikrowłókien w środowisku wodnym, liczba Reynoldsa w tych eksperymentach jest znacznie mniejsza od jedności, można założyć, że oboma układami rządzi ta sama dynamika. Na podstawie wyników uzyskanych z symulacji i doświadczeń mamy nadzieję wyjaśnić podstawowe cechy dynamiki zamkniętych łańcuchów o rożnej topologii.
Dodatkowym, bardzo interesującym aspektem tego projektu jest obserwacja iż nasze wstępne wyniki symulacji wykazują znaczące podobieństwo do teoretycznych rozwiązań równań ewolucji wirów płynu o topologii węzłów torusowych. W szczególności, rozwiązania sugerują istnienie stacjonarnych konfiguracji wiru z ruchami periodycznymi prawie identycznymi do tych obserwowanych w naszych wstępnych symulacjach. Wyniki teoretyczne zostały uzyskane przez prof Renzo Ricca z Wydziału Matematyki Uniwersytetu w Milano-Bicocca, dlatego też, planowana jest współpraca z jego grupą badawczą. Dzięki tej współpracy i w oparciu o wyniki symulacji i eksperymentów mamy nadzieję na głębsze zrozumienie roli oddziaływań hydrodynamicznych w ruchu splątanych cząstek w lepkich cieczach co może pomóc w zrozumieniu np dynamiki splątanych i/lub splecionych fragmentów DNA plazmidów pojawiających się w procesach replikacji czy rekombinacji.
Obszar, dziedziny i dyscypliny naukowej:
5.1.12: | obszar nauk technicznych, dziedzina nauk technicznych, dyscyplina informatyka |
5.1.17: | obszar nauk technicznych, dziedzina nauk technicznych, dyscyplina mechanika |
Lista publikacji:
1. | Gruziel-Słomka M., Kondratiuk P., Szymczak P., Ekiel-Jeżewska M.L., Stokesian dynamics of sedimenting elastic rings, SOFT MATTER, ISSN: 1744-683X, DOI: 10.1039/c9sm00598f, Vol.15, No.36, pp.7262-7274, 2019 | 100p. | ||
2. | Gruziel M., Thyagarajan K., Dietler G., Stasiak A., Ekiel-Jeżewska M.L., Szymczak P., Periodic Motion of Sedimenting Flexible Knots, PHYSICAL REVIEW LETTERS, ISSN: 0031-9007, DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.127801, Vol.121, No.12, pp.127801-1-6, 2018 | 45p. | ||
3. | Szymczak P., Gruziel-Słomka M., Kondratiuk P., Ekiel-Jeżewska M.L., Sedimentation of elastic loops in a viscous fluid, Bulletin of the American Physical Society, ISSN: 0003-0503, Vol.63, No.13, pp.368, 2018 | |||
4. | Gruziel M., Thyagarajan K., Dietler G., Szymczak P., Ekiel-Jeżewska M.L., Dynamics of knotted flexible loops settling under a constant force in a viscous fluid, Bulletin of the American Physical Society, ISSN: 0003-0503, Vol.62, No.14, pp.81, 2017 |