50多年后，终于破解了这个流体谜题

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，头图来自：unsplash

流体大致可以分为两类：普通的和奇怪的。水、酒精等大致可算作普通流体，当它们流过管道或被搅动时，表现出的效果或多或少都符合预期；但像油漆、蜂蜜、血液等黏度较高的液体，则往往表现出一些令科学家不解的谜之行为。今天我们要讲的故事，就与一个困扰了科学家半个多世纪的奇怪流体行为有关。

一、油田里的奇怪现象  

在油田中，为了尽可能地提取石油，工程师通常会向地下注入水与一种被称为推挤液的混合液。上个世纪60年代，流变学家Arthur Metzner和他的学生Ronald Marshall在油田进行野外作业时注意到，当这些含有长链聚合物的推挤液以一定的速度被泵入地下时，它会出乎意料之外地变得更加粘稠。

这样的效应在后来的许多类似系统中都被观察到了。然而经过几十年的深入研究，科学家仍然不知道这些液体为什么会变得更加粘稠。由此引发了一个持续50多年之久的谜题：为什么在压力作用下，一些特定的流体在流过多孔材料（如土壤和沉积岩）时会怪异地减速？

现在，一组来自普林斯顿大学的研究人员用实验找到了这个谜题的答案。他们将研究结果发表在了《科学进展》杂志上。

二、聚合物溶液  

无论是油田里的推挤液，还是其他一些粘稠流体，都可以被统称为聚合物溶液。这些溶液中可以含有长而复杂的分子，比如包含溶解的聚合物，或含有由具有许多重复的亚基的大分子组成的材料。

许多能源、环境、工业过程，都依赖于这些聚合物溶液在多孔介质上的流动。通常，在压力的作用下，聚合物溶液的黏度会降低，流动速度会加快；但当它们通过多孔介质时，黏度会增加，从而流速降低。

起初，科学家认为这种现象或许是由于溶液中的大分子在孔隙中堆积导致的，像排水孔被头发堵住了一样。但他们很快意识到，问题没有这么简单，因为一旦聚合物溶液的流速降至临界阈值以下，这样的情况就完全消失了。

三、新颖的实验  

为了找到问题的根源，在新研究中，研究人员设计了一个新颖的实验来观察聚合物溶液是在流经多孔介质时发生了什么。

整个实验设备是由一个长方形的小腔室组成的，长度只有小指的一半，腔室中随机地填入许多微小的硼硅酸盐玻璃珠。这些透明的玻璃珠充当了多孔介质的角色，它们就像是一块透明的人造岩石，让研究人员能直观地观测聚合物溶液在其中的运动。

研究人员开发了一种透明介质，可以让他们观察聚合物流动。| 图片来源David Kelly Crow拍摄

在这块“人造岩石”中，研究人员将一种常见的聚合物溶液注入其中。为了便于观察溶液在微型玻璃珠周围的流动情况，他们提前在聚合物溶液中添加了荧光乳胶微粒。

与此同时，他们还对实验中所使用的聚合物溶液进行了特殊配制，使得材料的折射率可以抵消来自玻璃珠的光学畸变，并使整个装置在饱和时是呈透明的状态。

在实验过程中，为了能够便检查液体通过每个毛孔的流动情况，他们将显微镜聚焦在微型孔上，或者说玻璃珠之间的空隙上。这些空隙的大小在百微米级的尺度上，与人类头发的粗细类似。

 四、令人意外的发现  

在这一实验装置中，研究人员拍摄到了流体的运动。他们观察到，当聚合物溶液通过多孔介质时，随着流速的增加，它们的流动开始变得混乱，会在与自身的相撞中翻滚并自我循环，产生湍流。这种现象一开始发生在一两个空隙中，接着越来越多，到最后布满了所有空隙。

一种粘性流体穿过多孔介质，当流速较低时（左），流体流动平稳；但当流速变高时（右），流体中的聚合物会导致流体变得混乱，旋涡会不断的形成、增长和消失。| 动图来源：Datta Lab

这种现象让研究人员感到惊讶，因为通常来说，当流体以这样的流速在如此致密的孔隙中流动时，并不会出现湍流，而是层流，即流体平稳而稳定地流动。

他们发现，当这些聚合物溶液在孔隙空间中穿行时，它们会伸展，产生能够在不同孔隙中积累并导致湍流的力。当在更高的压力下推动溶液通过时，这种效应会变得更加明显。

通过这个实验，研究人员清晰地看到并记录了所有不稳定的区域，并发现这些区域确实影响了溶液在通过介质时的传输。他们用从实验中收集的数据制定了一种方法来预测聚合物溶液在现实生活中的行为。

五、应用广泛  

黏度是描述流体流动最基本的性质之一，这是科学家首次将湍流与多孔介质中的黏度增加联系起来。一直以来，科学家都无法预测在多孔介质中流动的聚合物溶液的黏度。而新的研究证实了这种预测是可以实现的。现在，我们可以确切地看到，当聚合物溶液是被泵入地下或其他不透明的多孔介质中时发生了什么。这个困扰了科学家半个多世纪的谜题终于被揭开。

这一发现不仅将有助于加深对聚合物溶液流动和混沌流动的理解，而且还将有助于改善能源、环境和工业部门的许多重要过程，比如指导相关领域的从业者在不同环境下制备正确的聚合物溶液，以及用正确的压力来完成任务。

因为聚合物溶液本身是粘稠的，环境工程师可以将聚合物溶液注入存在高度污染的地方，比如废弃的化工厂和其他工业工厂。粘稠的溶液有助于从受影响的土壤中排除痕量污染物。此外，利用正确的聚合物溶液，还可以更好地将石油从地下岩石的孔隙中挤出来，从而提高石油开采的效率。而最令研究人员兴奋的是，聚合物溶液的湍流或许可以被很好地用来清洁受到了污染的地下水。

参考来源：

https://cbe.princeton.edu/news/fractured-artificial-rock-helps-crack-54-year-old-mystery

https://www.quantamagazine.org/an-injection-of-chaos-solves-decades-old-fluid-mystery-20220104/

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj2619

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