Scienza: risolto un enigma che tiene gli studiosi impegnati da 54 anni

Perché certi fluidi rallentano stranamente sotto pressione quando scorrono attraverso materiali porosi, come terreni e rocce sedimentarie?

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I ricercatori di Princeton hanno risolto un enigma che tiene gli studiosi impegnati da 54 anni: perché certi fluidi rallentano stranamente sotto pressione quando scorrono attraverso materiali porosi, come terreni e rocce sedimentarie? I risultati raggiunti ora potrebbero aiutare a migliorare molti processi importanti nei settori energetico, ambientale e industriale, dal recupero del petrolio alla bonifica delle acque sotterranee.

I fluidi in questione sono chiamati soluzioni polimeriche. Queste soluzioni – esempi quotidiani sono creme cosmetiche e il muco nei nostri nasi – contengono polimeri disciolti o materiali costituiti da grandi molecole con molte subunità ripetute. In genere, quando vengono messe sotto pressione, le soluzioni polimeriche diventano meno viscose e scorrono più velocemente. Ma quando attraversano materiali con molti piccoli fori e canali, le soluzioni tendono a diventare più viscide e appiccicose, riducendo le loro portate.

Per arrivare alla radice del problema, i ricercatori di Princeton hanno ideato un esperimento innovativo utilizzando un mezzo poroso trasparente fatto di minuscole perle di vetro, una roccia artificiale trasparente. Questo mezzo lucido ha permesso ai ricercatori di visualizzare il movimento di una soluzione polimerica. L’esperimento ha rivelato che l’aumento sconcertante della viscosità nei mezzi porosi si verifica perché il flusso della soluzione polimerica diventa caotico, proprio come l’aria turbolenta su un volo in aereo, che vortica su se stessa.

“Sorprendentemente, fino ad ora, non è stato possibile prevedere la viscosità delle soluzioni polimeriche che scorrono in mezzi porosi”, ha detto Sujit Datta, assistente professore di ingegneria chimica e biologica a Princeton e autore senior dello studio apparso il 5 novembre nel rivista Science Advances. “Ma in questo articolo, abbiamo finalmente mostrato che queste previsioni possono essere fatte, quindi abbiamo trovato una risposta a un problema che è sfuggito ai ricercatori per oltre mezzo secolo“. “Con questo studio, abbiamo finalmente reso possibile vedere esattamente cosa sta accadendo sottoterra o all’interno di altri mezzi opachi e porosi quando vengono pompate soluzioni polimeriche“, ha affermato Christopher Browne, studente nel laboratorio di Datta e autore principale dell’articolo.

Browne condusse gli esperimenti e costruì l’apparato sperimentale, una piccola camera rettangolare riempita casualmente con minuscole perle di vetro borosilicato. L’installazione, simile a una roccia sedimentaria artificiale, misurava solo circa la metà della lunghezza di un mignolo. In questa finta roccia, Browne ha pompato una comune soluzione polimerica allacciata con microparticelle di lattice fluorescenti per aiutare a vedere il flusso della soluzione attorno alle perline. I ricercatori hanno formulato la soluzione polimerica in modo che l’indice di rifrazione del materiale compensasse la distorsione della luce dalle perline e rendesse l’intera configurazione trasparente quando saturata. Il laboratorio di Datta ha utilizzato in modo innovativo questa tecnica per creare terreno trasparente per studiare modi per contrastare la siccità agricola, tra le altre indagini .

Browne ha quindi ingrandito con un microscopio i pori, o fori tra le perline, che si verificano sulla scala di 100 micrometri (milionesimi di metro), o simili alla larghezza di un capello umano, per esaminare il fluido fluire attraverso ciascun poro. Mentre la soluzione polimerica si faceva strada attraverso il mezzo poroso, il flusso del fluido diventava caotico, con il fluido che si schiantava su se stesso e generava turbolenza. Quello che sorprende è che, tipicamente, il fluido scorre a queste velocità e in pori così stretti non sono turbolenti, ma “laminari”: il fluido si muove in modo fluido e costante. Mentre i polimeri navigavano nello spazio dei pori, tuttavia, si allungavano, generando forze che si accumulavano e generavano un flusso turbolento in diversi pori. Questo effetto è diventato più pronunciato quando si spinge la soluzione a pressioni più elevate.

“Sono stato in grado di vedere e registrare tutte queste regioni irregolari di instabilità, e queste regioni hanno davvero un impatto sul trasporto della soluzione attraverso il mezzo”, ha affermato Browne. I ricercatori di Princeton hanno utilizzato i dati raccolti dall’esperimento per formulare un modo per prevedere il comportamento delle soluzioni polimeriche in situazioni di vita reale.

Gareth McKinley, professore di ingegneria meccanica presso il Massachusetts Institute of Technology che non è stato coinvolto nello studio, ha offerto commenti sul suo significato. “Questo studio mostra definitivamente che il grande aumento della caduta di pressione osservabile macroscopicamente attraverso un mezzo poroso ha le sue origini fisiche microscopiche nelle instabilità del flusso viscoelastico che si verificano sulla scala dei pori del mezzo poroso“, ha detto McKinley. Dato che la viscosità è uno dei descrittori fondamentali del flusso di fluidi, i risultati non solo aiutano ad approfondire la comprensione dei flussi di soluzioni polimeriche e dei flussi caotici in generale, ma forniscono anche linee guida quantitative per informare le loro applicazioni su larga scala nel campo.

“Le nuove intuizioni che abbiamo generato potrebbero aiutare i professionisti in diversi contesti a determinare come formulare la giusta soluzione polimerica e utilizzare le giuste pressioni necessarie per svolgere il compito da svolgere“, ha affermato Datta. “Siamo particolarmente entusiasti dell’applicazione dei risultati nella bonifica delle acque sotterranee“.

Poiché le soluzioni polimeriche sono intrinsecamente appiccicose, gli ingegneri ambientali iniettano le soluzioni nel terreno in siti altamente contaminati come fabbriche chimiche abbandonate e impianti industriali. Le soluzioni viscose aiutano a eliminare tracce di contaminanti dai terreni colpiti. Allo stesso modo, le soluzioni polimeriche aiutano nel recupero dell’olio spingendo l’olio fuori dai pori nelle rocce sotterranee. Dal punto di vista della bonifica, le soluzioni polimeriche consentono di “pompare e trattare”, un metodo comune per ripulire le acque sotterranee inquinate da prodotti chimici industriali e metalli che prevede il trasporto dell’acqua a una stazione di trattamento superficiale. “Tutte queste applicazioni di soluzioni polimeriche, e altre ancora, come nelle separazioni e nei processi di produzione, trarranno beneficio dai nostri risultati”, ha spiegato ancora Datta.

Nel complesso, le nuove scoperte sulle portate della soluzione polimerica nei mezzi porosi hanno riunito idee provenienti da più campi di indagine scientifica, riuscendo infine a districare quello che era iniziato come un problema complesso e frustrante a lungo. “Questo lavoro traccia connessioni tra gli studi sulla fisica dei polimeri, la turbolenza e la geoscienza, seguendo il flusso di fluidi nelle rocce sotterranee e attraverso le falde acquifere“, ha detto Datta. “È molto divertente sedersi all’interfaccia tra tutte queste diverse discipline“.