Een studie van Sujit Datta's lab, onder leiding van afgestudeerde student Christopher Browne, ontdekte dat een veelbelovende klasse van reinigingsoplossingen zich gedraagt ​​op een manier die zowel traditionele vloeistofmodellen in de war brengt als hun bruikbaarheid voor saneringsinspanningen verklaart. Gepubliceerd op 2 maart in de Journal of Fluid Mechanics , het papier helpt bij het oplossen van een decennia-oude puzzel over waarom deze reinigingsmiddelen alleen onder bepaalde omstandigheden werken.

De vloeistoffen bevatten microscopisch kleine polymeerstrengen die als veren werken terwijl ze door poreuze rotsen bewegen. Om redenen die wetenschappers pas beginnen te begrijpen, die veren kunnen kleine wervelingen in de poriën veroorzaken, het verstoren van de stroom en het losmaken van verontreinigingen uit de ondergrondse hoeken en gaten. Browne's paper laat zien dat wanneer de poriën dicht genoeg bij elkaar liggen, de wervelingen synchroniseren tussen ruimtes en de effecten worden sterker. De onderzoekers noemen het een bistabiliteit, verwijzend naar de twee mogelijke evenwichtstoestanden. Bistabiliteit is overal in de fysieke wereld te vinden, in alles van lichtschakelaars tot celdeling. Eerder werk had aangenomen dat er slechts één enkele toestand was in de structuur van de stroming van deze vloeistoffen door de poriën.

"Wat we vonden is dat in een poreus medium, in plaats van dat de stroom overal uniform is, sommige poriën vertonen een soort stromingsstructuur en andere poriën vertonen een andere - een vorm van bistabiliteit, " zei Datta, een assistent-professor chemische en biologische technologie en senior auteur van het papier. "Als we begrijpen hoe deze structuren ontstaan, dan kunnen we voorspellen hoe de vloeistof zich zal gedragen."

Polymeervloeistoffen kunnen een effectief hulpmiddel zijn bij het reinigen van ruwe olie, kwik en andere verontreinigingen uit vervuilde watervoerende lagen. Maar niet precies wetend hoe deze vloeistoffen werken, en hun effecten niet kunnen voorspellen, maakt ze gevaarlijk in gevoelige omgevingen. Ingenieurs blijven op hun hoede voor het gebruik ervan omdat, in sommige gevallen, het gebruik van de verkeerde oplossing kan de zaken erger maken. Om het opruimprobleem op te lossen, moet je deze veerkrachtige actie onder de grond van dichterbij bekijken.

De vraag knaagt al meer dan 10 jaar aan onderzoekers. Hoewel er vooruitgang is geboekt bij het begrijpen van de effecten van porievorm en -grootte, Browne's studie is de eerste die de effecten van porieafstand laat zien, het openen van een nieuwe onderzoekslijn die het potentieel van de vloeistoffen eindelijk binnen bereik zou kunnen brengen.

"Als we een goed fundamenteel model kunnen hebben van hoe [de polymeren] in echte geometrieën vloeien, dan, als u een grondwateraquifer heeft met een lekkage, met behulp van deze modellen zou je kunnen zeggen, 'Ja, een polymeer zal wel of niet helpen, " en dan, 'zo moet je dat polymeer gebruiken, ', zei Browne.

De sleutel tot dit onderzoek is Datta's griezelige vermogen om door muren te kijken - om modelomgevingen te creëren van heldere materialen die ondergrondse omstandigheden nabootsen, gebruik vervolgens gespecialiseerde afbeeldingen om de stroom te analyseren.

Het team gebruikte 3D-printen om rotsachtige poriën te creëren en de vloeistof onder hoge druk door te dringen. Toen de gegevens binnenkwamen, ze realiseerden zich dat de stroom door de kleine hoekjes chaotischer was dan de wiskunde voorspelde. Toen ze de afstand veranderden, de gegevens zijn gewijzigd, te. Die verandering riep een nieuwe vraag op over het gedrag van de vloeistof, waarop de krant antwoordt. Als de poriën dicht bij elkaar liggen, de veren hebben geen tijd om zich van de ene porie naar de andere te nestelen. De galm stapelt zich achterwaarts op als een opeenhoping van snelwegen. Geëxtrapoleerd naar real-world scenario's, met drie dimensies en veel meer wanorde, het nieuw waargenomen effect vult enkele van de hiaten op, bij wijze van spreken, in het begrip van wetenschappers van het gedrag van polymeeroplossingen. Het is een voorbeeld van hoe Datta's lab complexe vloeistofproblemen opdeelt in hanteerbare onderdelen, combineert ze vervolgens stuk voor stuk om de onderliggende realiteit te verlichten.

"We nemen die vereenvoudigde geometrieën en breiden ze langzaam uit naar meer realistische geometrieën, ' zei Browne. 'In een echte porieruimte, je hebt veel steenkorrels van verschillende vormen en maten bij elkaar gepakt."

Browne werkte nauw samen met Princeton senior Audrey Shih, die gegevens analyseerde en hielp bij het ontwerpen van aspecten van het experiment. Als onderdeel van haar junior scriptie en zomerwerk ondersteund door een stage via het Andlinger Centrum voor Energie en Milieu, Shih bedacht een manier om de afstandsvariabele systematisch te onderzoeken.

"Audrey nam dit project echt ter harte en waadde door de literatuur, " zei Datta. Op basis van dat waden, de onderzoekers publiceerden ook een review paper in het tijdschrift Klein .

Datta zei dat de samenwerking tussen Browne en Shih, bijzonder verfijnd in dit geval, liet een sterke indruk op hem achter:afstudeerbegeleiding van studenten, het ontwerpen van een experiment dat een al lang bestaand milieuprobleem wegnam, het creëren van een aanpak die nieuwe vragen voor het veld heeft geopend.

"Het was prachtig hoe ze samenwerkten, " hij zei.