Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Hvordan nanopartikler påvirker flow gennem porøse ting på overraskende måder

Tæller af c_a og c_n ved to nanopartikelaflejringshastigheder ved t=400. Kredit:Dastvareh og Jalel Azaiez

De, der har blandet olie og eddike, kan ubevidst have observeret et mærkeligt væskefænomen kaldet fingering ustabilitet. En type af dette fænomen, kaldet viskøs fingersætning (VF), forekommer i porøse medier, hvor væsker med forskellig viskositet konvergerer i fingerformede mønstre som følge af voksende forstyrrelser ved grænsefladen.

Sådanne ustabiliteter støder man på på en lang række områder. Til applikationer som oliegenvindingsprocessen, eller transport af forurenende stoffer i jorden, hvor en væske injiceres for at fortrænge olie eller forurenende stoffer, en ensartet væskefront er påkrævet for at opnå den højeste volumetriske sweep og effektivitet, gør sådanne ustabiliteter uønskede.

På den anden side, i mikrofluidiske enheder såsom mikromixere, hvor inertieffekter er ubetydelige, VF er et effektivt middel til at øge blandingshastigheden af ​​væskerne. Forstå forskellige aspekter af dette fænomen, og de variabler, der kan kontrollere ting som ustabilitet og hastighedsfordelingsdynamik, kan potentielt tilbyde muligheder for at kontrollere og udnytte disse effekter mere effektivt.

Et team af forskere ved University of Calgary har arbejdet på dette område i lang tid og har for nylig gjort store fremskridt med at forstå fænomenet. De rapporterer deres resultater i denne uge i bladet Fysik af væsker .

"Mit arbejde er en del af puslespillet i udviklingen inden for dette forskningsområde, " sagde Benham Dastvareh, en forsker ved University of Calgary. "Min forskning giver mig mulighed for at kombinere min interesse for matematik, numeriske metoder og grundforskning i transportfænomener, og især væskemekanik."

Anvender en omfattende tilgang, Calgary-forskerne inkorporerede den ikke-lineære simulering af de voksende fingre og også analytisk stabilitetsanalyse af nanofluidforskydning i et porøst medium. Ved at kombinere fordelene ved disse metoder, de opnåede en bedre og mere omfattende forståelse af fænomenet.

Resultater afslørede, at nanopartikler ikke kan gøre en ellers stabil strømning ustabil, men de kan forstærke eller dæmpe ustabiliteten af ​​et oprindeligt ustabilt flow. Forøgelse af enten nanopartiklernes aflejringshastighed eller deres diffusionshastighed destabiliserede flowet. Desuden, nanopartikelaflejring kan ændre en indledende monotont faldende viskositetsfordeling - en der er rent aftagende eller uændret, til en ikke-monoton, og resulterer i udviklingen af ​​vortex-dipoler.

"Analyser af hvirvelstrukturer sammen med viskositetsfordelingerne gjorde det muligt for os at forklare de observerede tendenser og de resulterende fingerkonfigurationer, sagde Dastvareh. "Dette arbejde åbner en port for yderligere undersøgelser og repræsenterer nye resultater, der kan bruges til at kontrollere de voksende ustabiliteter i nærvær af nanovæsker til forskellige applikationer."

Dette arbejde kan også have potentielle anvendelser til lægemiddellevering, hvor nanopartikler ikke let kan trænge igennem et porøst medium. "Det er muligt, at viskøs fingersætning kan bruges til at åbne en kanal i det menneskelige væv for at overføre disse nanopartikler til klinisk behandling, " sagde Dastvareh.