作者:普林斯顿大学的亚当·哈朦胧
普林斯顿的研究人员开发了一种技术，可以更好地理解聚合物在压力下如何通过小通道流动
信用:大卫·凯利乌鸦 普林斯顿大学的研究人员解决了一个54年之久的难题，即为什么某些流体在流经土壤和沉积岩等多孔材料时会在压力下奇怪地减速
这些发现可能有助于改善能源、环境和工业部门的许多重要流程，从石油开采到地下水修复
所讨论的流体被称为聚合物溶液
这些溶液——日常的例子包括美容霜和我们鼻子里的粘液——含有溶解的聚合物，或者由具有许多重复亚单位的大分子组成的材料
典型地，当它们被置于压力下时，聚合物溶液变得不那么粘稠并且流动得更快
但是当溶液通过有许多小孔和小通道的材料时，溶液会变得更加粘稠，从而降低流速
为了找到问题的根源，普林斯顿的研究人员设计了一个创新的实验，使用了一种透明的多孔介质，由微小的玻璃珠——一种透明的人造岩石——制成
这种透明的介质使研究人员能够看到聚合物溶液的运动
实验表明，多孔介质中粘度的长期令人困惑的增加是因为聚合物溶液的流动变得混乱，就像飞机上的湍流空气一样，它自己旋转并粘住物体
“令人惊讶的是，直到现在，还不可能预测聚合物溶液在多孔介质中流动的粘度，”苏吉特·达塔说，他是普林斯顿大学化学和生物工程的助理教授，也是这项研究的资深作者，该研究发表在11月11日
5在《科学进展》杂志上
“但在这篇论文中，我们现在终于展示了这些预测是可以实现的，所以我们找到了一个问题的答案，这个问题困扰了研究人员半个多世纪
" “通过这项研究，我们终于有可能确切地看到当聚合物溶液被泵送通过时，地下或其他不透明的多孔介质中发生了什么，”博士克里斯托弗·布朗说
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达塔实验室的学生和论文的主要作者
布朗进行了实验，并建立了实验装置，一个随机填充微小硼硅酸盐玻璃珠的小矩形室
这种装置类似于人造沉积岩，只有小指长度的一半
布朗向这块人造岩石中注入了一种普通的聚合物溶液，溶液中掺有荧光乳胶微粒，以帮助观察溶液在珠子周围的流动
研究人员配制了聚合物溶液，使材料的折射率抵消了珠子的光畸变，并使整个装置在饱和时透明
达塔的实验室创新性地使用这种技术创造透明土壤，用于研究对抗农业干旱的方法，以及其他研究
布朗随后用显微镜放大了小孔或珠子之间的小孔，这些小孔的大小为100微米(百万分之一米)，或类似于人的头发的宽度，以便检查通过每个小孔的流体流动
当聚合物溶液通过多孔介质时，流体的流动变得混乱，流体撞回自身并产生湍流
令人惊讶的是，通常情况下，流体以这样的速度在如此紧密的孔隙中流动不是湍流，而是“层流”:流体平稳地流动
然而，当聚合物通过孔隙空间时，它们会伸展开来，产生积聚的力，并在不同的孔隙中产生湍流
当在更高的压力下推动溶液通过时，这种效应变得更加明显
布朗说:“我能够看到并记录所有这些不稳定的不完整区域，这些区域确实影响了溶液通过介质的传输。”
普林斯顿的研究人员开发了一种技术，可以更好地理解聚合物在压力下如何通过小通道流动
信用:大卫·凯利乌鸦 普林斯顿大学的研究人员利用从实验中收集的数据，制定了一种方法来预测现实生活中聚合物溶液的行为
没有参与这项研究的麻省理工学院机械工程教授加雷思·麦金利对其重要性发表了评论
麦金利说:“这项研究明确表明，宏观上可观察到的多孔介质压降的大幅增加，其微观物理根源在于多孔介质孔隙尺度上发生的粘弹性流动不稳定性。”
鉴于粘度是流体流动最基本的描述符之一，该发现不仅有助于加深对聚合物溶液流动和一般混沌流动的理解，而且还提供了定量指导，为其在该领域的大规模应用提供信息
达塔说:“我们产生的新见解可以帮助不同环境中的从业者确定如何配制正确的聚合物溶液，并利用正确的压力来完成手头的任务。”
“我们对这些发现在地下水修复中的应用感到特别兴奋
" 因为聚合物溶液本来就粘稠，环境工程师将溶液注入到高度污染的地方，如废弃的化工厂和工业工厂
粘性溶液有助于将微量污染物从受影响的土壤中推出
聚合物溶液同样通过将石油从地下岩石的孔隙中推出来帮助采油
在修复方面，聚合物解决方案实现了“泵送和处理”，这是一种清理被工业化学品和金属污染的地下水的常用方法，包括将水带到表面处理站
达塔说:“聚合物溶液的所有这些应用，以及更多的应用，例如在分离和制造过程中，都将从我们的发现中受益。”
总的来说，关于多孔介质中聚合物溶液流速的新发现汇集了来自多个科学研究领域的想法，最终解开了最初是一个长期令人沮丧的复杂问题
达塔说:“这项工作通过追踪地下岩石和含水层中的流体流动，将高分子物理、湍流和地球科学的研究联系起来。”
“坐在所有这些不同学科之间的界面上非常有趣
"
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