断裂的人工岩石有助于破解困扰科学家54年的奇怪流体之谜

普林斯顿大学的研究人员解决了一个长达54年的难题，即为什么某些流体在流经多孔材料（如土壤和沉积岩）时在压力下奇怪地变慢。这一发现可以帮助改善能源、环境和工业部门的许多重要过程，从石油开采到地下水修复。

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所述流体被称为聚合物溶液。这些溶液--日常的例子包括化妆品面霜和我们鼻子里的粘液--含有溶解的聚合物，或由具有许多重复亚单位的大分子构成的材料。通常情况下，当它们被置于压力之下时，聚合物溶液变得不那么粘稠，流动得更快。但是，当穿过有许多小孔和通道的材料时，溶液往往变得更粘稠，降低了它们的流速。

为了找到问题的根源，普林斯顿大学的研究人员设计了一个创新的实验，使用一种由微小玻璃珠组成的透明多孔介质--一种透明的人造岩石。这种清晰的介质使研究人员能够看到聚合物溶液的运动。实验显示，多孔介质中粘度的长期阻滞性增加是由于聚合物溶液的流动变得混乱。

“令人惊讶的是，直到现在，还无法预测在多孔介质中流动的聚合物溶液的粘度，”普林斯顿大学化学和生物工程助理教授、11月5日发表在《科学进展》杂志上的这项研究的资深作者Sujit Datta说。“但是在这篇论文中，我们现在终于证明了这些预测是可以实现的，所以我们已经找到了一个半个多世纪以来研究人员无法解决的问题的答案。”

Datta实验室的博士生、论文的第一作者Christopher Browne说：“通过这项研究，我们终于有可能准确地看到当聚合物溶液被泵送通过时，在地下或其他不透明的多孔介质内发生了什么。”

Browne负责实验并建造了实验装置，一个随机装满微小硼硅酸盐玻璃珠的小型矩形室。这个装置类似于人工沉积岩，跨度只有小指的一半长。在这个假岩石中，Browne泵入了一种普通的聚合物溶液，其中掺有荧光乳胶微粒子，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线失真，并使整个装置在饱和时变得透明。达塔的实验室已经创新性地使用这种技术制造出透明的土壤，用于研究应对农业干旱的方法，以及其他调查。

然后，Browne用显微镜放大了孔隙，其大小为100微米，或类似于人类头发的宽度，以检查通过每个孔隙的液体流动。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，以这种速度在如此紧密的孔隙中流动的流体不是湍流，而是"层流"：流体平滑而稳定地移动。然而，当聚合物在孔隙中航行时，它们被拉长，产生的力累积起来，在不同的孔隙中产生湍流。当在更高的压力下将溶液推过时，这种效果变得更加明显。

Browne说：“我能够看到并记录所有这些不稳定的斑块区域，而这些区域确实影响了溶液在介质中的传输。”

普林斯顿大学的研究人员利用从实验中收集的数据，制定了一种预测聚合物溶液在现实生活中的行为的方法。

没有参与这项研究的麻省理工学院机械工程教授Gareth McKinley对其意义发表了评论。McKinley说：“这项研究明确显示，宏观上可观察到的跨越多孔介质的压力降的大幅增加，其微观物理根源是发生在多孔介质孔隙尺度上的粘弹性流动不稳定性。”

鉴于粘度是流体流动的最基本描述特征之一，这些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，而且还为其在该领域的大尺度应用提供了定量指导。“我们所产生的新见解可以帮助不同环境下的从业人员确定如何配制正确的聚合物溶液，并使用执行手头任务所需的正确压力，”Datta说。“我们对这些发现在地下水修复中的应用感到特别兴奋。”

由于聚合物溶液本身是粘稠的，环境工程师将这些溶液注入高度污染的地点，如废弃的化学工厂和工业厂房。粘稠的溶液有助于将受影响的土壤中的微量污染物推出。聚合物溶液同样有助于石油开采，将石油从地下岩石的孔隙中推出。在修复方面，聚合物解决方案可以实现"泵和处理"，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，包括将水带到一个地面处理站。Datta说：“聚合物解决方案的所有这些应用，以及更多的应用，如分离和制造过程，都将从我们的发现中受益。”

总的来说，关于聚合物溶液在多孔介质中的流速的新发现汇集了来自多个科学探索领域的想法，最终解开了最初作为一个长期令人沮丧的复杂问题。

Datta说：“这项工作在聚合物物理学、湍流和地球科学的研究之间建立了联系，跟踪地下岩石以及含水层中的流体流动。坐在所有这些不同学科之间的界面上，是一件非常有趣的事情。”

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