Исследователи из Принстона решили загадку 54-летней давности о том, почему некоторые жидкости странным образом замедляются под давлением при прохождении через пористые материалы, такие как почвы и осадочные породы.
Полученные данные могут помочь улучшить многие важные процессы в энергетическом, экологическом и промышленном секторах, от добычи нефти до восстановления грунтовых вод.
Жидкости, о которых идет речь, являются растворами полимеров. Это, к примеру, косметические кремы и слизь в носу.
Когда такие жидкости находятся под давлением, они становятся менее вязкими и текут быстрее. Но при прохождении через материалы с множеством крошечных отверстий и каналов растворы становятся более вязкими и густыми, что снижает их скорость течения.
Чтобы разобраться, почему это происходит, ученые из Принстонского университета разработали инновационный эксперимент с использованием прозрачного искусственного камня, составленного из крошечных стеклянных шариков. Эта прозрачная среда позволила исследователям увидеть глазами течение раствора полимера сквозь поры искусственного камня.
Эксперимент показал, что длительное непреодолимое увеличение вязкости в пористой среде происходит из-за того, что поток раствора полимера становится хаотичным, подобно турбулентному течению воздуха, обтекающего летящий самолет. Хаотичный поток раствора полимера закручивается в вихри и склеивает полимерные частицы.
«Удивительно, но до сих пор было невозможно предсказать вязкость полимерных растворов, текущих в пористой среде, – говорит Суджит Датта из Принстонского университета, один из авторов исследования. – В нашей статье мы наконец-то показали, что эти прогнозы могут быть сделаны, потому что мы нашли ответ на загадку, которая ускользала от исследователей более полувека».
Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Экспериментальная установка представляла собой небольшую прямоугольную прозрачную камеру размером с полмизинца, набитую случайным образом шариками из боросиликатного стекла диаметром 100 микрометров – это толщина человеческого волоса. В эту искусственную породу Браун закачал раствор обычного полимера с добавлением флуоресцентных микрочастиц латекса, чтобы увидеть, как раствор течет вокруг шариков. Исследователи сформировали раствор полимера таким образом, чтобы показатель преломления материала компенсировал искажение света от шариков и делал всю установку прозрачной при насыщении жидкостью. Лаборатория Датты затем новаторски применила этот метод и создала прозрачную почву для изучения способов борьбы с сельскохозяйственной засухой.
Затем с помощью микроскопа поры между шариками были увеличены. По мере прохождения раствора полимера через пористую среду поток жидкости становился хаотичным, жидкость заворачивалась в вихри и становилась турбулентной, хотя обычно при такой скорости жидкость течет ламинарным потоком – без вихрей. Когда полимеры двигались внутри пор, они растягивались, создавая силы, которые и создавали турбулентность. Этот эффект усиливался при проталкивании полимерного раствора сквозь поры под более высоким давлением.
Исследователи из Принстона использовали данные, собранные в ходе эксперимента, чтобы сформулировать способ прогнозирования поведения полимерных растворов в реальных ситуациях.
«Полученные нами новые идеи могут помочь практикам в различных условиях определить, как подобрать правильную концентрацию раствора полимера и давление, необходимое для выполнения поставленной задачи», – утверждает Датта.
Ученые рассчитывают на применение результатов своего исследования в моделировании движения грунтовых вод. Поскольку полимерные растворы по своей природе вязкие, инженеры-экологи закачивают такие растворы в землю сильно загрязненных участков, таких как заброшенные химические заводы и промышленные предприятия. Вязкие растворы помогают вытеснить из почвы следы загрязняющих веществ. Растворы полимеров также способствуют добыче нефти, выталкивая нефть из пор в подземных породах.