Une étude du laboratoire de Sujit Datta, dirigé par l'étudiant diplômé Christopher Browne, ont découvert qu'une classe prometteuse de solutions de nettoyage se comporte d'une manière qui à la fois confond les modèles de fluides traditionnels et explique leur utilité pour les efforts de remédiation. Publié le 2 mars dans le Journal de mécanique des fluides , le document aide à résoudre un casse-tête vieux de plusieurs décennies sur les raisons pour lesquelles ces nettoyants ne fonctionnent que dans certaines conditions.

Les fluides contiennent des brins de polymère microscopiques qui agissent comme des ressorts lorsqu'ils se déplacent à travers des roches poreuses. Pour des raisons que les scientifiques commencent seulement à comprendre, ces ressorts peuvent créer de minuscules tourbillons dans les pores, perturber le flux et déloger les contaminants des coins et recoins souterrains. L'article de Browne montre que lorsque les pores sont suffisamment rapprochés, les tourbillons se synchronisent à travers les espaces et les effets deviennent plus forts. Les chercheurs appellent cela une bistabilité, se référant aux deux états d'équilibre possibles. La bistabilité peut être trouvée dans le monde physique, dans tout, des interrupteurs de lumière à la division cellulaire. Des travaux antérieurs avaient supposé qu'il n'y avait qu'un seul état dans la structure de l'écoulement de ces fluides à travers les pores.

"Ce que nous avons trouvé, c'est que dans un milieu poreux, au lieu que le débit soit uniforme partout, certains pores présentent un type de structure d'écoulement et d'autres pores en montrent un autre - une forme de bistabilité, " dit Datta, professeur adjoint de génie chimique et biologique et auteur principal de l'article. "Si nous comprenons comment ces structures se forment, alors nous pouvons prédire comment le fluide se comportera."

Les fluides polymères pourraient être un outil efficace pour nettoyer le pétrole brut, mercure et autres contaminants des aquifères pollués. Mais ne sachant pas précisément comment fonctionnent ces fluides, et ne pas pouvoir prédire leurs effets, les rend dangereux dans les environnements sensibles. Les ingénieurs restent prudents quant à leur utilisation car, dans certains cas, utiliser la mauvaise solution peut aggraver les choses. Résoudre le problème du nettoyage signifie examiner de plus près cette action élastique sous terre.

La question taraude les chercheurs depuis plus de 10 ans. Bien que des progrès aient été réalisés dans la compréhension des effets de la forme et de la taille des pores, L'étude de Browne est la première à montrer les effets de l'espacement des pores, ouvrir une nouvelle piste d'investigation qui pourrait enfin mettre le potentiel des fluides à portée de main.

"Si nous pouvons avoir un bon modèle fondamental de la façon dont [les polymères] s'écoulent dans des géométries réelles, alors, si vous avez un aquifère souterrain avec un déversement, en utilisant ces modèles, vous pourriez potentiellement dire, 'Oui, un polymère va ou ne va pas aider, " puis, 'voici comment vous devriez utiliser ce polymère, '", a déclaré Browne.

La clé de cette étude est l'étonnante capacité de Datta à voir à travers les murs, à créer des environnements modèles à partir de matériaux transparents qui imitent les conditions souterraines, utilisez ensuite des images spécialisées pour analyser le flux.

L'équipe a utilisé l'impression 3D pour créer des pores semblables à de la roche et a forcé le fluide à traverser à haute pression. Au fur et à mesure que les données arrivaient, ils ont réalisé que le flux à travers les petits recoins était plus chaotique que les mathématiques ne l'avaient prédit. Comme ils ont changé l'espacement, les données ont changé, trop. Ce changement a soulevé une nouvelle question sur le comportement du fluide, auquel le papier répond. Lorsque les pores sont rapprochés, les sources n'ont pas le temps de se tasser d'un pore à l'autre. Les réverbérations s'accumulent à l'envers comme un carambolage d'autoroute. Extrapolé à des scénarios du monde réel, avec trois dimensions et beaucoup plus de désordre, l'effet nouvellement observé comble certaines des lacunes, pour ainsi dire, dans la compréhension par les scientifiques du comportement des solutions polymères. C'est un exemple de la façon dont le laboratoire de Datta décompose des problèmes de fluides complexes en parties gérables, puis les combine pièce par pièce pour éclairer la réalité sous-jacente.

"Nous prenons ces géométries simplifiées et les étendons lentement à des géométries plus réalistes, " a déclaré Browne. " Dans un véritable espace interstitiel, vous avez beaucoup de grains de roche de différentes formes et tailles emballés ensemble."

Browne a travaillé en étroite collaboration avec Audrey Shih, senior de Princeton, qui ont analysé les données et aidé à concevoir des aspects de l'expérience. Dans le cadre de sa thèse junior et de son travail d'été soutenu par un stage au sein du Centre Andlinger pour l'énergie et l'environnement, Shih a proposé un moyen d'examiner systématiquement la variable d'espacement.

"Audrey a vraiment pris ce projet à cœur et a pataugé dans la littérature, " Datta dit. Sur la base de cette pataugeoire, les chercheurs ont également publié un article de synthèse dans la revue Petit .

Datta a déclaré que la collaboration entre Browne et Shih, particulièrement sophistiqué dans ce cas, lui a laissé une forte impression :mentorat d'étudiants diplômés de premier cycle, concevoir une expérience qui a éradiqué un problème environnemental de longue date, créer une approche qui a ouvert de nouvelles questions pour le domaine.

"C'était magnifique la façon dont ils travaillaient ensemble, " il a dit.