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(zhì)--一種透明的人造巖石。這種清晰的介質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(diào)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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