Un estudio del laboratorio de Sujit Datta, dirigido por el estudiante graduado Christopher Browne, descubrió que una clase prometedora de soluciones de limpieza se comporta de manera que confunde los modelos de fluidos tradicionales y explica su utilidad para los esfuerzos de remediación. Publicado el 2 de marzo en el Revista de mecánica de fluidos , el documento ayuda a resolver un enigma de décadas sobre por qué estos limpiadores solo funcionan en algunas condiciones.

Los fluidos contienen hebras de polímero microscópicas que actúan como resortes a medida que se mueven a través de rocas porosas. Por razones que los científicos apenas están comenzando a comprender, esos manantiales pueden crear pequeños remolinos en los poros, perturbar el flujo y desalojar los contaminantes de los rincones y grietas subterráneas. El artículo de Browne muestra que cuando los poros están lo suficientemente juntos, los remolinos se sincronizan a través de los espacios y los efectos se vuelven más fuertes. Los investigadores lo llaman biestabilidad, refiriéndose a los dos posibles estados de equilibrio. La biestabilidad se puede encontrar en todo el mundo físico, en todo, desde interruptores de luz hasta división celular. El trabajo anterior había asumido que había un solo estado en la estructura del flujo de estos fluidos a través de los poros.

"Lo que encontramos es que en un medio poroso, en lugar de que el flujo sea uniforme en todas partes, algunos poros muestran un tipo de estructura de flujo y otros poros muestran otro:una forma de biestabilidad, "dijo Datta, profesor asistente de ingeniería química y biológica y autor principal del artículo. "Si entendemos cómo se forman estas estructuras, entonces podemos predecir cómo se comportará el fluido ".

Los fluidos poliméricos podrían ser una herramienta eficaz para limpiar el petróleo crudo, mercurio y otros contaminantes de acuíferos contaminados. Pero sin saber con precisión cómo funcionan estos fluidos, y no poder predecir sus efectos, los hace peligrosos en entornos sensibles. Los ingenieros desconfían de su uso porque, en algunos casos, usar la solución incorrecta puede empeorar las cosas. Resolver el problema de la limpieza significa echar un vistazo más de cerca a esta acción elástica bajo tierra.

La pregunta ha molestado a los investigadores durante más de 10 años. Si bien se ha avanzado en la comprensión de los efectos de la forma y el tamaño de los poros, El estudio de Browne es el primero en mostrar los efectos del espaciamiento de los poros, abriendo una nueva línea de investigación que finalmente podría acercar el potencial de los fluidos.

"Si podemos tener un buen modelo fundamental de cómo fluyen [los polímeros] en geometrías reales, luego, si tiene un acuífero de agua subterránea con un derrame, utilizando estos modelos, podría decir potencialmente, 'sí, un polímero ayudará o no ayudará, " y luego, 'así es como debes usar ese polímero, '", Dijo Browne.

La clave de este estudio es la asombrosa capacidad de Datta para ver a través de las paredes, para crear entornos modelo a partir de materiales transparentes que imitan las condiciones subterráneas. luego use imágenes especializadas para analizar el flujo.

El equipo utilizó la impresión 3D para crear poros en forma de roca y forzó el paso del fluido a alta presión. Cuando llegaron los datos, se dieron cuenta de que el flujo a través de los pequeños rincones era más caótico de lo que predijeron las matemáticas. Mientras cambiaban el espaciado, los datos cambiaron, también. Ese cambio planteó una nueva pregunta sobre el comportamiento del fluido, que responde el papel. Cuando los poros están muy juntos, los manantiales no tienen tiempo de asentarse de un poro a otro. Las reverberaciones se acumulan hacia atrás como un choque en la carretera. Extrapolado a escenarios del mundo real, con tres dimensiones y mucho más desorden, el efecto recién observado llena algunos de los vacíos, por así decirlo, en la comprensión de los científicos del comportamiento de las soluciones de polímeros. Es un ejemplo de cómo el laboratorio de Datta divide problemas complejos de fluidos en partes manejables, luego los combina pieza por pieza para iluminar la realidad subyacente.

"Tomamos esas geometrías simplificadas y las ampliamos lentamente a geometrías más realistas, ", Dijo Browne." En un espacio de poros real, tienes muchos granos de roca de diferentes formas y tamaños empaquetados ".

Browne trabajó en estrecha colaboración con Audrey Shih, estudiante de último año de Princeton, que analizó datos y ayudó a diseñar aspectos del experimento. Como parte de su tesis junior y trabajo de verano con el apoyo de una pasantía a través del Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente, Shih ideó una forma de examinar sistemáticamente la variable de espaciado.

"Audrey realmente se tomó en serio este proyecto y analizó la literatura, "Dijo Datta. Basado en ese vadeo, los investigadores también publicaron un artículo de revisión en la revista Pequeña .

Datta dijo que la colaboración entre Browne y Shih, particularmente sofisticado en este caso, dejó una fuerte impresión en él:estudiante de posgrado como mentor de pregrado, diseñar un experimento que eliminó un problema ambiental de larga data, creando un enfoque que ha abierto nuevas preguntas para el campo.

"Fue hermosa la forma en que trabajaron juntos, " él dijo.