普林斯頓大學(xué)的研究人員解決了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)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(shí)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(mén)的許多重要過(guò)程，從石油開(kāi)采到地下水修復(fù)。

所述流體被稱(chēng)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(fù)亞單位的大分子構(gòu)成的材料。通常情況下，當(dāng)它們被置于壓力之下時(shí)，聚合物溶液變得不那么粘稠，流動(dòng)得更快。但是，當(dāng)穿過(guò)有許多小孔和通道的材料時(shí)，溶液往往變得更粘稠，降低了它們的流速。

為了找到問(wèn)題的根源，普林斯頓大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)，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(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)顯示，多孔介質(zhì)中粘度的長(zhǎng)期阻滯性增加是由于聚合物溶液的流動(dòng)變得混亂。

“令人驚訝的是，直到現(xiàn)在，還無(wú)法預(yù)測(cè)在多孔介質(zhì)中流動(dòng)的聚合物溶液的粘度，”普林斯頓大學(xué)化學(xué)和生物工程助理教授、11月5日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的這項(xiàng)研究的資深作者Sujit Datta說(shuō)。“但是在這篇論文中，我們現(xiàn)在終于證明了這些預(yù)測(cè)是可以實(shí)現(xiàn)的，所以我們已經(jīng)找到了一個(gè)半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)研究人員無(wú)法解決的問(wèn)題的答案。”

Datta實(shí)驗(yàn)室的博士生、論文的第一作者Christopher Browne說(shuō)：“通過(guò)這項(xiàng)研究，我們終于有可能準(zhǔn)確地看到當(dāng)聚合物溶液被泵送通過(guò)時(shí)，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(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)并建造了實(shí)驗(yàn)裝置，一個(gè)隨機(jī)裝滿(mǎn)微小硼硅酸鹽玻璃珠的小型矩形室。這個(gè)裝置類(lèi)似于人工沉積巖，跨度只有小指的一半長(zhǎng)。在這個(gè)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?chē)牧鲃?dòng)。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(gè)裝置在飽和時(shí)變得透明。達(dá)塔的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)創(chuàng)新性地使用這種技術(shù)制造出透明的土壤，用于研究應(yīng)對(duì)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(lèi)似于人類(lèi)頭發(fā)的寬度，以檢查通過(guò)每個(gè)孔隙的液體流動(dòng)。當(dāng)聚合物溶液通過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)，流體的流動(dòng)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(dòng)的流體不是湍流，而是"層流"：流體平滑而穩(wěn)定地移動(dòng)。然而，當(dāng)聚合物在孔隙中航行時(shí)，它們被拉長(zhǎng)，產(chǎn)生的力累積起來(lái)，在不同的孔隙中產(chǎn)生湍流。當(dāng)在更高的壓力下將溶液推過(guò)時(shí)，這種效果變得更加明顯。

Browne說(shuō)：“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(shí)影響了溶液在介質(zhì)中的傳輸。”

普林斯頓大學(xué)的研究人員利用從實(shí)驗(yàn)中收集的數(shù)據(jù)，制定了一種預(yù)測(cè)聚合物溶液在現(xiàn)實(shí)生活中的行為的方法。

沒(méi)有參與這項(xiàng)研究的麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授Gareth McKinley對(duì)其意義發(fā)表了評(píng)論。McKinley說(shuō)：“這項(xiàng)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(dòng)不穩(wěn)定性。”

鑒于粘度是流體流動(dòng)的最基本描述特征之一，這些發(fā)現(xiàn)不僅有助于加深對(duì)聚合物溶液流動(dòng)和一般混沌流動(dòng)的理解，而且還為其在該領(lǐng)域的大尺度應(yīng)用提供了定量指導(dǎo)。“我們所產(chǎn)生的新見(jiàn)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(wù)所需的正確壓力，”Datta說(shuō)。“我們對(duì)這些發(fā)現(xiàn)在地下水修復(fù)中的應(yīng)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(diǎn)，如廢棄的化學(xué)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(kāi)采，將石油從地下巖石的孔隙中推出。在修復(fù)方面，聚合物解決方案可以實(shí)現(xiàn)"泵和處理"，這是一種清理被工業(yè)化學(xué)品和金屬污染的地下水的常用方法，包括將水帶到一個(gè)地面處理站。Datta說(shuō)：“聚合物解決方案的所有這些應(yīng)用，以及更多的應(yīng)用，如分離和制造過(guò)程，都將從我們的發(fā)現(xiàn)中受益。”

總的來(lái)說(shuō)，關(guān)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(lái)自多個(gè)科學(xué)探索領(lǐng)域的想法，最終解開(kāi)了最初作為一個(gè)長(zhǎng)期令人沮喪的復(fù)雜問(wèn)題。

Datta說(shuō)：“這項(xiàng)工作在聚合物物理學(xué)、湍流和地球科學(xué)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(dòng)。坐在所有這些不同學(xué)科之間的界面上，是一件非常有趣的事情。”

關(guān)鍵詞： 人工巖石 科學(xué)家 流體之謎 普林斯頓大學(xué)