普林斯頓大學的研究人員解決了一個長達54年的難題，即為什麼某些流體在流經多孔材料（如土壤和沉積岩）時在壓力下奇怪地變慢。這一發現可以幫助改善能源、環境和工業部門的許多重要過程，從石油開採到地下水修復。
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，或由具有許多重複亞單位的大分子構成的材料。通常情況下，當它們被置於壓力之下時，聚合物溶液變得不那麼粘稠，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–一種透明的人造岩石。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於聚合物溶液的流動變得混亂。
“令人驚訝的是，直到現在，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日發表在《科學進展》雜誌上的這項研究的資深作者Sujit Datta說。“但是在這篇論文中，我們現在終於證明了這些預測是可以實現的，所以我們已經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，我們終於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發生了什麼。”
Browne負責實驗並建造了實驗裝置，一個隨機裝滿微小硼硅酸鹽玻璃珠的小型矩形室。這個裝置類似於人工沉積岩，跨度只有小指的一半長。在這個假岩石中，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。研究人員配製了聚合物溶液，使材料的折射率抵消了珠子的光線失真，並使整個裝置在飽和時變得透明。達塔的實驗室已經創新性地使用這種技術製造出透明的土壤，用於研究應對農業乾旱的方法，以及其他調查。
然後，Browne用顯微鏡放大了孔隙，其大小為100微米，或類似於人類頭髮的寬度，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，流體撞回自身併產生湍流。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”：流體平滑而穩定地移動。然而，當聚合物在孔隙中航行時，它們被拉長，產生的力累積起來，在不同的孔隙中產生湍流。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：“我能夠看到並記錄所有這些不穩定的斑塊區域，而這些區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據，制定了一種預測聚合物溶液在現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生在多孔介質孔隙尺度上的粘彈性流動不穩定性。”
鑒於粘度是流體流動的最基本描述特徵之一，這些發現不僅有助於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。“我們所產生的新見解可以幫助不同環境下的從業人員確定如何配製正確的聚合物溶液，並使用執行手頭任務所需的正確壓力，”Datta說。“我們對這些發現在地下水修復中的應用感到特別興奮。”
由於聚合物溶液本身是粘稠的，環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廠房。粘稠的溶液有助於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於石油開採，將石油從地下岩石的孔隙中推出。在修復方面，聚合物解決方案可以實現”泵和處理”，這是一種清理被工業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，如分離和製造過程，都將從我們的發現中受益。”
總的來說，關於聚合物溶液在多孔介質中的流速的新發現彙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複雜問題。
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繫，跟蹤地下岩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。”