普林斯頓大學(xué)的研究人員解決了一個(gè)長達(dá) 54 年的謎題，即為什么某些流體在流經(jīng)多孔材料(如土壤和沉積巖)時(shí)會(huì)在壓力下奇怪地減速。這些發(fā)現(xiàn)有助于改進(jìn)能源、環(huán)境和工業(yè)領(lǐng)域的許多重要過程，從石油回收到地下水修復(fù)。
所討論的流體稱為聚合物溶液。這些解決方案——日常的例子包括美容霜和我們鼻子里的粘液——包含溶解的聚合物，或由具有許多重復(fù)亞基的大分子組成的材料。通常，當(dāng)它們處于壓力之下時(shí)，聚合物溶液變得不那么粘稠并且流動(dòng)得更快。但是，當(dāng)穿過具有許多小孔和通道的材料時(shí)，溶液往往變得更加粘稠和粘稠，從而降低了它們的流速。
為了找到問題的根源，普林斯頓大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一項(xiàng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，使用由微小玻璃珠(一種透明的人造巖石)制成的透明多孔介質(zhì)。這種透明介質(zhì)使研究人員能夠可視化聚合物溶液的運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，多孔介質(zhì)中粘度的長期增加是因?yàn)榫酆衔锶芤旱牧鲃?dòng)變得混亂，就像飛機(jī)上的湍流空氣一樣，旋轉(zhuǎn)到自身并粘住了作品。
“令人驚訝的是，直到現(xiàn)在，還無法預(yù)測(cè)在多孔介質(zhì)中流動(dòng)的聚合物溶液的粘度，”普林斯頓化學(xué)和生物工程助理教授、該研究的資深作者Sujit Datta說，他于 11 月 5 日發(fā)表在雜志科學(xué)進(jìn)展。“但在這篇論文中，我們現(xiàn)在終于證明了這些預(yù)測(cè)是可以做出的，因此我們找到了半個(gè)多世紀(jì)以來一直困擾研究人員的問題的答案。”
“通過這項(xiàng)研究，當(dāng)聚合物溶液被泵入時(shí)，我們終于能夠準(zhǔn)確地看到地下或其他不透明多孔介質(zhì)中發(fā)生的情況，”博士克里斯托弗布朗說。達(dá)塔實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生和論文的主要作者。
布朗進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)并建造了實(shí)驗(yàn)裝置，一個(gè)小的矩形室，隨機(jī)填充了微小的硼硅酸鹽玻璃珠。該裝置類似于人造沉積巖，其長度只有小指的一半左右。布朗將一種常見的聚合物溶液注入這塊人造巖石中，其中摻有熒光乳膠微粒，以幫助觀察溶液在珠子周圍的流動(dòng)。研究人員配制了聚合物溶液，因此材料的折射率抵消了珠子的光失真，并使整個(gè)裝置在飽和時(shí)變得透明。Datta 的實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新地使用這種技術(shù)來創(chuàng)造透明土壤，以研究應(yīng)對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的方法以及其他調(diào)查。
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