Små polymerfjedre giver et boost til miljøoprydning

En undersøgelse fra Sujit Dattas laboratorium, ledet af kandidatstuderende Christopher Browne, fandt ud af, at en lovende klasse af rengøringsløsninger opfører sig på måder, der både forvirrer traditionelle væskemodeller og forklarer deres anvendelighed til afhjælpningsindsatsen. Udgivet 2. marts i Journal of Fluid Mechanics , papiret hjælper med at løse et årtier gammelt puslespil om, hvorfor disse rengøringsmidler kun virker under nogle forhold.

Væskerne indeholder mikroskopiske polymertråde, der fungerer som fjedre, når de bevæger sig gennem porøse klipper. Af grunde er videnskabsmænd kun begyndt at forstå, disse fjedre kan skabe små hvirvler i porerne, forstyrre strømmen og fjerne forurenende stoffer fra de underjordiske afkroge. Brownes papir viser, at når porerne er tæt nok sammen, hvirvlerne synkroniseres på tværs af rum, og effekterne bliver stærkere. Forskerne kalder det en bistabilitet, henviser til de to mulige ligevægtstilstande. Bistabilitet kan findes i hele den fysiske verden, i alt fra lysafbrydere til celledeling. Tidligere arbejde havde antaget, at der kun var en enkelt tilstand i strukturen af ​​disse væskers strømning gennem porerne.

"Det, vi fandt, er, at i et porøst medium, i stedet for at flowet er ensartet hele vejen igennem, nogle porer viser en slags flowstruktur og andre porer viser en anden - en form for bistabilitet, " sagde Datta, en adjunkt i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab og avisens seniorforfatter. "Hvis vi forstår, hvordan disse strukturer dannes, så kan vi forudsige, hvordan væsken vil opføre sig."

Polymervæsker kunne være et effektivt værktøj til rensning af råolie, kviksølv og andre forurenende stoffer fra forurenede grundvandsmagasiner. Men ved ikke præcis, hvordan disse væsker virker, og ikke være i stand til at forudsige deres virkninger, gør dem farlige i følsomme omgivelser. Ingeniører forbliver på vagt over for deres brug, fordi i nogle tilfælde, Brug af den forkerte løsning kan gøre tingene værre. At løse oprydningsproblemet betyder at få et nærmere kig på denne fjedrende handling under jorden.

Spørgsmålet har naget hos forskere i mere end 10 år. Mens der er gjort fremskridt med at forstå virkningerne af poreform og størrelse, Brownes undersøgelse er den første til at vise virkningerne af poreafstand, åbning af en ny undersøgelseslinje, der endelig kunne bringe væskernes potentiale inden for rækkevidde.

"Hvis vi kan have en god grundlæggende model for, hvordan [polymererne] flyder i virkelige geometrier, derefter, hvis du har et grundvandsmagasin med udslip, ved at bruge disse modeller kunne man potentielt sige, 'Ja, en polymer vil eller vil ikke hjælpe, " og så, 'det er sådan du skal bruge den polymer, '" sagde Browne.

Nøglen til denne undersøgelse er Dattas uhyggelige evne til at se gennem vægge - at skabe modelmiljøer af klare materialer, der efterligner underjordiske forhold, brug derefter specialiserede billeder til at analysere flowet.

Holdet brugte 3-D-print til at skabe stenlignende porer og tvang væsken igennem ved højt tryk. Da dataene kom ind, de indså, at strømmen gennem de små kroge var mere kaotisk, end matematikken forudsagde. Da de ændrede afstanden, data ændret, også. Denne ændring rejste et nyt spørgsmål om væskens adfærd, hvilket avisen besvarer. Når porerne er tæt på hinanden, fjedrene har ikke tid til at sætte sig fra den ene pore til den næste. Efterklangene akkumuleres baglæns som en motorvejsophobning. Ekstrapoleret til scenarier i den virkelige verden, med tre dimensioner og meget mere uorden, den nyligt observerede effekt udfylder nogle af hullerne, så at sige, i videnskabsmænds forståelse af polymerløsningers adfærd. Det er et eksempel på, hvordan Dattas laboratorium deler komplekse væskeproblemer op i håndterbare dele, kombinerer dem derefter stykke for stykke for at belyse den underliggende virkelighed.

"Vi tager de forenklede geometrier og udvider dem langsomt til mere realistiske geometrier, " sagde Browne. "I et rigtigt porerum, du har masser af stenkorn i forskellige former og størrelser pakket sammen."

Browne arbejdede tæt sammen med Princeton senior Audrey Shih, som analyserede data og hjalp med at designe aspekter af eksperimentet. Som en del af hendes juniorafhandling og sommerarbejde støttet af et praktikophold gennem Andlinger Center for Energi og Miljø, Shih fandt på en måde at systematisk undersøge mellemrumsvariablen.

"Audrey tog virkelig dette projekt til sig og vadede gennem litteraturen, " sagde Datta. Baseret på den vade, forskerne har også publiceret et reviewpapir i tidsskriftet Lille .

Datta sagde, at samarbejdet mellem Browne og Shih, særlig sofistikeret i dette tilfælde, efterlod et stærkt indtryk på ham:kandidatstuderende mentoring undergraduate, at designe et eksperiment, der fjernede et langvarigt miljøproblem, skabe en tilgang, der har åbnet nye spørgsmål for feltet.

"Det var smukt den måde, de arbejdede sammen på, " han sagde.