微小的聚合物弹簧推动了环境清理

清理地下水可不是一件容易的事，但普林斯顿大学的一个研究小组正致力于简化这项工作——使用微型弹簧。

由研究生Christopher Browne领导的Sujit Datta实验室的一项研究发现，一类有前途的清洁解决方案的行为方式既混淆了传统的流体模型，又解释了它们对补救措施的有用性。发表在3月2日的《流体力学杂志》(Journal of Fluid Mechanics)上的这篇论文帮助解决了一个困扰了几十年的难题:为什么这些清洁剂只能在某些情况下工作?

来自普林斯顿大学的研究人员破解了流体动力学领域一个存在了几十年的难题，揭示了为什么特定的聚合物流体在某些情况下可以冲洗地下水中的污染物，而在其他情况下却不能。这项工作将帮助工程师控制在敏感环境中的清理工作。

Image courtesy of the researchers

这些流体中含有微观聚合物链，它们在多孔岩石中移动时就像弹簧一样。科学家们才刚刚开始了解，这些弹簧可以在孔隙中产生微小的涡流，干扰水流，并将污染物从地下的角落和缝隙中驱逐出去。布朗尼的论文表明，当孔隙足够靠近时，涡流会在空间中同步，效应会变得更强。研究人员称之为双稳定性，指的是两种可能的平衡状态。在整个物理世界，从电灯开关到细胞分裂，都可以发现双稳定性。以前的研究假设这些流体在孔隙中的流动结构只有一种状态。

“我们发现，在多孔介质中，并非所有的流动都是均匀的，一些孔隙显示出一种流动结构，而其他孔隙显示出另一种流动结构——一种双稳态形式，”论文的资深作者、化学与生物工程助理教授达塔说。“如果我们理解了这些结构是如何形成的，那么我们就可以预测流体的行为。”

聚合物流体可能是一种有效的工具，以清洁原油，汞和其他污染物从污染的含水层。但是，由于无法准确地了解这些液体是如何工作的，也无法预测它们的影响，所以在敏感的环境中，它们是危险的。工程师们仍然对它们的使用保持警惕，因为在某些情况下，使用错误的解决方案会使情况变得更糟。解决清理问题意味着要更仔细地观察地下的这种有弹性的活动。

这个问题困扰了研究人员10多年。虽然在理解孔隙形状和大小的影响方面已经取得了进展，但Browne的研究首次显示了孔隙间距的影响，开辟了一条新的研究路线，最终可能使流体的潜力触手可及。

“如果我们能有一个好的基础模型的实际几何图形(聚合物)流,然后,如果你有一个地下水含水层泄漏,使用这些模型你可能会说,“是的,聚合物会或不会帮助,”然后,“这是你应该如何使用聚合物,”布朗说。

这项研究的关键是达塔超能透视墙壁的神奇能力——利用模拟地下条件的透明材料创建模型环境，然后使用专门的图像来分析水流。

该团队使用3D打印技术制造出岩石状的孔隙，并在高压下迫使液体通过。随着数据的输入，他们意识到流经这些小角落的水流比数学预测的更混乱。当他们改变间距时，数据也改变了。这一变化提出了一个关于流体行为的新问题，这篇论文回答了这个问题。当孔隙很密的时候，弹簧就没有时间从一个孔到下一个孔。余波像高速公路上的连环相撞一样向后堆积。外推到真实世界的情况，三维和更多的混乱，新观察到的效果填补了一些空白，可以这么说，在科学家的理解聚合物溶液的行为。这是Datta实验室如何将复杂的流体问题分解成可处理的部分，然后将它们一块一块地组合起来，以阐明潜在的现实的一个例子。

“我们采用那些简化的几何图形，慢慢地将它们扩展到更现实的几何图形，”Browne说。“在真实的孔隙中，有许多不同形状和大小的岩石颗粒聚集在一起。”

布朗与普林斯顿大学大四学生奥黛丽·施(Audrey Shih)密切合作，后者分析数据并帮助设计实验的各个方面。作为她大三论文和暑期工作的一部分，在安德林格能源与环境中心的一次实习中，Shih提出了一种系统检查间隔变量的方法。

达塔说:“奥黛丽真的把这个项目放在心上，并认真阅读了相关文献。”在此基础上，研究人员还在《Small》杂志上发表了一篇评论文章。

达塔说，布朗和史宗翰的合作给他留下了深刻的印象，尤其是在这件事上的复杂合作:研究生指导本科生，设计一项实验，逐渐解决一个长期存在的环境问题，创造出一种方法，为这个领域开辟了新的问题。

“他们一起工作的方式很美，”他说。