普林斯頓大學的研究人員解決了一個長達54年的難題，即為什么某些流體在流經(jīng)多孔材料(如土壤和沉積巖)時在壓力下奇怪地變慢。 這一發(fā)現(xiàn)可以幫助改善能源、環(huán)境和工業(yè)部門的許多重要過程，從石油開采到地下水修復。

所述流體被稱為聚合物溶液。這些溶液--日常的例子包括化妝品面霜和我們鼻子里的粘液--含有溶解的聚合物，或由具有許多重復亞單位的大分子構成的材料。通常情況下，當它們被置于壓力之下時，聚合物溶液變得不那么粘稠，流動得更快。但是，當穿過有許多小孔和通道的材料時，溶液往往變得更粘稠，降低了它們的流速。

為了找到問題的根源，普林斯頓大學的研究人員設計了一個創(chuàng)新的實驗，使用一種由微小玻璃珠組成的透明多孔介質--一種透明的人造巖石。這種清晰的介質使研究人員能夠看到聚合物溶液的運動。實驗顯示，多孔介質中粘度的長期阻滯性增加是由于聚合物溶液的流動變得混亂。

“令人驚訝的是，直到現(xiàn)在，還無法預測在多孔介質中流動的聚合物溶液的粘度，”普林斯頓大學化學和生物工程助理教授、11月5日發(fā)表在《科學進展》雜志上的這項研究的資深作者Sujit Datta說。“但是在這篇論文中，我們現(xiàn)在終于證明了這些預測是可以實現(xiàn)的，所以我們已經(jīng)找到了一個半個多世紀以來研究人員無法解決的問題的答案。”

Datta實驗室的博士生、論文的第一作者Christopher Browne說：“通過這項研究，我們終于有可能準確地看到當聚合物溶液被泵送通過時，在地下或其他不透明的多孔介質內(nèi)發(fā)生了什么。”

Browne負責實驗并建造了實驗裝置，一個隨機裝滿微小硼硅酸鹽玻璃珠的小型矩形室。這個裝置類似于人工沉積巖，跨度只有小指的一半長。在這個假巖石中，Browne泵入了一種普通的聚合物溶液，其中摻有熒光乳膠微粒子，以幫助觀察溶液在珠子周圍的流動。研究人員配制了聚合物溶液，使材料的折射率抵消了珠子的光線失真，并使整個裝置在飽和時變得透明。達塔的實驗室已經(jīng)創(chuàng)新性地使用這種技術制造出透明的土壤，用于研究應對農(nóng)業(yè)干旱的方法，以及其他調查。

然后，Browne用顯微鏡放大了孔隙，其大小為100微米，或類似于人類頭發(fā)的寬度，以檢查通過每個孔隙的液體流動。當聚合物溶液通過多孔介質時，流體的流動變得混亂，流體撞回自身并產(chǎn)生湍流。令人驚訝的是，通常情況下，以這種速度在如此緊密的孔隙中流動的流體不是湍流，而是"層流"：流體平滑而穩(wěn)定地移動。然而，當聚合物在孔隙中航行時，它們被拉長，產(chǎn)生的力累積起來，在不同的孔隙中產(chǎn)生湍流。當在更高的壓力下將溶液推過時，這種效果變得更加明顯。

Browne說：“我能夠看到并記錄所有這些不穩(wěn)定的斑塊區(qū)域，而這些區(qū)域確實影響了溶液在介質中的傳輸。”

普林斯頓大學的研究人員利用從實驗中收集的數(shù)據(jù)，制定了一種預測聚合物溶液在現(xiàn)實生活中的行為的方法。

沒有參與這項研究的麻省理工學院機械工程教授Gareth McKinley對其意義發(fā)表了評論。McKinley說：“這項研究明確顯示，宏觀上可觀察到的跨越多孔介質的壓力降的大幅增加，其微觀物理根源是發(fā)生在多孔介質孔隙尺度上的粘彈性流動不穩(wěn)定性。”

鑒于粘度是流體流動的最基本描述特征之一，這些發(fā)現(xiàn)不僅有助于加深對聚合物溶液流動和一般混沌流動的理解，而且還為其在該領域的大尺度應用提供了定量指導。“我們所產(chǎn)生的新見解可以幫助不同環(huán)境下的從業(yè)人員確定如何配制正確的聚合物溶液，并使用執(zhí)行手頭任務所需的正確壓力，”Datta說。“我們對這些發(fā)現(xiàn)在地下水修復中的應用感到特別興奮。”

由于聚合物溶液本身是粘稠的，環(huán)境工程師將這些溶液注入高度污染的地點，如廢棄的化學工廠和工業(yè)廠房。粘稠的溶液有助于將受影響的土壤中的微量污染物推出。聚合物溶液同樣有助于石油開采，將石油從地下巖石的孔隙中推出。在修復方面，聚合物解決方案可以實現(xiàn)"泵和處理"，這是一種清理被工業(yè)化學品和金屬污染的地下水的常用方法，包括將水帶到一個地面處理站。Datta說：“聚合物解決方案的所有這些應用，以及更多的應用，如分離和制造過程，都將從我們的發(fā)現(xiàn)中受益。”

總的來說，關于聚合物溶液在多孔介質中的流速的新發(fā)現(xiàn)匯集了來自多個科學探索領域的想法，最終解開了最初作為一個長期令人沮喪的復雜問題。

Datta說：“這項工作在聚合物物理學、湍流和地球科學的研究之間建立了聯(lián)系，跟蹤地下巖石以及含水層中的流體流動。坐在所有這些不同學科之間的界面上，是一件非常有趣的事情。”

關鍵詞： 人工巖石 科學家 流體之謎 普林斯頓大學