Uno studio del laboratorio di Sujit Datta, guidato dallo studente laureato Christopher Browne, hanno scoperto che una classe promettente di soluzioni di pulizia si comporta in modi che confondono i tradizionali modelli di fluidi e spiegano la loro utilità per gli sforzi di riparazione. Pubblicato il 2 marzo su Journal of Fluid Mechanics , il documento aiuta a risolvere un enigma vecchio di decenni sul perché questi detergenti funzionano solo in alcune condizioni.

I fluidi contengono microscopici filamenti polimerici che agiscono come molle mentre si muovono attraverso rocce porose. Per ragioni che gli scienziati stanno solo cominciando a capire, quelle sorgenti possono creare piccoli vortici nei pori, disturbando il flusso e rimuovendo i contaminanti dagli angoli e dalle fessure sotterranee. L'articolo di Browne mostra che quando i pori sono abbastanza vicini tra loro, i vortici si sincronizzano attraverso gli spazi e gli effetti diventano più forti. I ricercatori la chiamano bistabilità, riferendosi ai due possibili stati di equilibrio. La bistabilità può essere trovata in tutto il mondo fisico, in tutto, dagli interruttori della luce alla divisione cellulare. Il lavoro precedente aveva ipotizzato che ci fosse un solo stato nella struttura del flusso di questi fluidi attraverso i pori.

"Ciò che abbiamo scoperto è che in un mezzo poroso, invece che il flusso sia uniforme dappertutto, alcuni pori mostrano un tipo di struttura del flusso e altri pori ne mostrano un altro:una forma di bistabilità, " disse Datta, un assistente professore di ingegneria chimica e biologica e autore senior del documento. "Se comprendiamo come si formano queste strutture, quindi possiamo prevedere come si comporterà il fluido."

I fluidi polimerici potrebbero essere uno strumento efficace nella pulizia del petrolio greggio, mercurio e altri contaminanti provenienti da falde acquifere inquinate. Ma non sapendo esattamente come funzionano questi fluidi, e non essere in grado di prevederne gli effetti, li rende pericolosi in ambienti sensibili. Gli ingegneri diffidano del loro utilizzo perché, in alcuni casi, usare la soluzione sbagliata può peggiorare le cose. Risolvere il problema della pulizia significa dare un'occhiata più da vicino a questa azione elastica sotterranea.

La domanda tormenta i ricercatori da più di 10 anni. Sebbene siano stati compiuti progressi nella comprensione degli effetti della forma e delle dimensioni dei pori, Lo studio di Browne è il primo a mostrare gli effetti della spaziatura dei pori, aprendo una nuova linea di indagine che potrebbe finalmente portare a portata di mano il potenziale dei fluidi.

"Se possiamo avere un buon modello fondamentale di come [i polimeri] scorrono nelle geometrie reali, poi, se hai una falda acquifera con fuoriuscita, usando questi modelli potresti potenzialmente dire, 'sì, un polimero aiuterà o non aiuterà, " poi, 'è così che dovresti usare quel polimero, '", ha detto Browne.

La chiave di questo studio è la straordinaria capacità di Datta di vedere attraverso i muri, per creare ambienti modello da materiali trasparenti che imitano le condizioni del sottosuolo, quindi utilizzare immagini specializzate per analizzare il flusso.

Il team ha utilizzato la stampa 3D per creare pori simili a roccia e ha forzato il fluido ad alta pressione. All'arrivo dei dati, si resero conto che il flusso attraverso i piccoli angoli era più caotico di quanto previsto dalla matematica. Poiché hanno cambiato la spaziatura, i dati sono cambiati, pure. Quel cambiamento ha sollevato una nuova domanda sul comportamento del fluido, cui il giornale risponde. Quando i pori sono ravvicinati, le molle non hanno il tempo di depositarsi da un poro all'altro. I riverberi si accumulano all'indietro come un tamponamento in autostrada. Estrapolato a scenari del mondo reale, con tre dimensioni e molto più disordine, l'effetto appena osservato colma alcune delle lacune, per così dire, nella comprensione degli scienziati del comportamento delle soluzioni polimeriche. È un esempio di come il laboratorio di Datta suddivida problemi di fluidi complessi in parti gestibili, poi li combina pezzo per pezzo per illuminare la realtà sottostante.

"Prendiamo quelle geometrie semplificate e le estendiamo lentamente a geometrie più realistiche, " disse Browne. "In un vero spazio dei pori, hai molti granelli di roccia di diverse forme e dimensioni impacchettati insieme."

Browne ha lavorato a stretto contatto con la senior di Princeton Audrey Shih, che ha analizzato i dati e aiutato a progettare gli aspetti dell'esperimento. Come parte della sua tesi junior e del lavoro estivo supportato da uno stage presso l'Andlinger Center for Energy and the Environment, Shih ha trovato un modo per esaminare sistematicamente la variabile di spaziatura.

"Audrey ha davvero preso a cuore questo progetto e ha guadato la letteratura, " disse Datta. Basandosi su quel guado, i ricercatori hanno anche pubblicato un articolo di revisione sulla rivista Piccolo .

Datta ha detto che la collaborazione tra Browne e Shih, particolarmente sofisticato in questo caso, ha lasciato una forte impressione su di lui:studente laureato tutoraggio universitario, progettare un esperimento che risolvesse un problema ambientale di vecchia data, creando un approccio che ha aperto nuove domande per il campo.

"Era bello il modo in cui lavoravano insieme, " Egli ha detto.