En studie från Sujit Dattas labb, ledd av doktoranden Christopher Browne, fann att en lovande klass av rengöringslösningar beter sig på ett sätt som både förvirrar traditionella vätskemodeller och förklarar deras användbarhet för saneringsinsatser. Publicerad 2 mars i Journal of Fluid Mechanics , tidningen hjälper till att lösa ett decennier gammalt pussel om varför dessa rengöringsmedel bara fungerar under vissa förhållanden.

Vätskorna innehåller mikroskopiska polymersträngar som fungerar som fjädrar när de rör sig genom porösa stenar. Av skäl som forskare bara börjar förstå, dessa fjädrar kan skapa små virvlar i porerna, stör flödet och avlägsnar föroreningar från underjordiska skrymslen och vrår. Brownes papper visar att när porerna är tillräckligt nära varandra, virvlarna synkroniseras över utrymmen och effekterna blir starkare. Forskarna kallar det en bistabilitet, hänvisar till de två möjliga jämviktstillstånden. Bistabilitet kan hittas i hela den fysiska världen, i allt från ljusväxlar till celldelning. Tidigare arbete hade antagit att det bara fanns ett enda tillstånd i strukturen för dessa vätskors flöde genom porerna.

"Vad vi hittade är att i ett poröst medium, istället för att flödet är enhetligt genomgående, vissa porer visar en typ av flödesstruktur och andra porer visar en annan - en form av bistabilitet, sa Datta, en biträdande professor i kemi- och biologisk teknik och tidningens seniorförfattare. "Om vi ​​förstår hur dessa strukturer bildas, då kan vi förutsäga hur vätskan kommer att bete sig."

Polymervätskor kan vara ett effektivt verktyg för att rengöra råolja, kvicksilver och andra föroreningar från förorenade akviferer. Men att inte veta exakt hur dessa vätskor fungerar, och inte kunna förutsäga deras effekter, gör dem farliga i känsliga miljöer. Ingenjörer förblir försiktiga med deras användning eftersom, i vissa fall, att använda fel lösning kan göra saken värre. Att lösa saneringsproblemet innebär att man tittar närmare på denna fjädrande action under jorden.

Frågan har tjatat på forskare i mer än 10 år. Även om framsteg har gjorts för att förstå effekterna av porform och storlek, Brownes studie är den första som visar effekterna av poravstånd, öppnar en ny undersökningslinje som äntligen kan bringa vätskornas potential inom räckhåll.

"Om vi ​​kan ha en bra grundläggande modell av hur [polymererna] flyter i verkliga geometrier, sedan, om du har en grundvattenakvifer med spill, med dessa modeller skulle man kunna säga, 'ja, en polymer hjälper eller hjälper inte, " och då, "så här ska du använda den polymeren, '" sa Browne.

Nyckeln till denna studie är Dattas kusliga förmåga att se genom väggar – att skapa modellmiljöer av tydliga material som efterliknar underjordiska förhållanden, använd sedan specialiserade bilder för att analysera flödet.

Teamet använde 3-D-utskrift för att skapa stenliknande porer och tvingade igenom vätskan vid högt tryck. När uppgifterna kom in, de insåg att flödet genom de små skrymslen var mer kaotiskt än vad matematiken förutspådde. När de ändrade avståndet, data ändrades, för. Den förändringen väckte en ny fråga om vätskans beteende, som tidningen svarar på. När porerna är nära varandra, fjädrarna hinner inte sätta sig från en por till en annan. Efterklangen ackumuleras bakåt som en motorväg. Extrapolerat till verkliga scenarier, med tre dimensioner och mycket mer oordning, den nyligen observerade effekten fyller ut några av luckorna, så att säga, i forskarnas förståelse av polymerlösningars beteende. Det är ett exempel på hur Dattas labb bryter upp komplexa vätskeproblem i hanterbara delar, kombinerar dem sedan bit för bit för att belysa den underliggande verkligheten.

"Vi tar de förenklade geometrierna och utökar dem långsamt till mer realistiska geometrier, " sa Browne. "I ett riktigt porutrymme, du har massor av stenkorn av olika former och storlekar packade tillsammans."

Browne arbetade nära med Princeton senior Audrey Shih, som analyserade data och hjälpte till att designa aspekter av experimentet. Som en del av hennes junioruppsats och sommararbete med stöd av en praktikplats genom Andlinger Center for Energy and Environment, Shih kom på ett sätt att systematiskt undersöka avståndsvariabeln.

"Audrey tog verkligen detta projekt till sig och vadade genom litteraturen, " sa Datta. Baserat på vadingen, forskarna publicerade också en recensionsartikel i tidskriften Små .

Datta sa att samarbetet mellan Browne och Shih, särskilt sofistikerad i detta fall, lämnade ett starkt intryck på honom:doktorand mentorskap grundutbildning, designa ett experiment som slog bort ett långvarigt miljöproblem, skapa ett tillvägagångssätt som har öppnat nya frågor för fältet.

"Det var vackert hur de arbetade tillsammans, " han sa.