Injekce chaosu řeší desítky let staré tekuté tajemství

Foto: PublicDomainPictures / Pixabay

Tekutiny mohou být rozdělené do dvou kategorií: běžné a podivné. Běžné, jako je voda a alkohol, působí víceméně podle očekávání, když se pumpují potrubím nebo míchají lžící. Mezi těmi podivnými – mezi které patří látky jako barva, med, sliz, krev, kečup a oobleck (tekutina vyrobená z kukuřičného škrobu a vody, která při působení síly dočasně zhoustne nebo ztuhne. Zde se skrývá široká škála behaviorálních záhad, které vědce v průběhu staletí ohromily. Píš server Quanta Magazine.

Původní příběh přetištěn se svolením od Quanta Magazine , redakčně nezávislé publikace Simons Foundation, jejímž posláním je zlepšit veřejné chápání vědy tím, že pokryje vývoj výzkumu a trendy v matematice a fyzikálních a biologických vědách.

Jedna taková dlouhotrvající hádanka, poprvé vyslovená téměř před 55 lety, vzniká, když určité kapaliny proudí trhlinami a dírami v porézní krajině, jako je houbovitá půda. Zpočátku bude kapalina proudit normálně. Ale jak se jeho průtok zvýší, překročí kritický práh, kdy se najednou bude zdát, že sroste – jeho viskozita vystřelí jako martini přeměněná na melasu.

Nová studie ukazuje účinek na malé molekuly suspendované v tekutině, které se víří a natahují, jak se zvyšuje průtok. V určitém okamžiku molekulární pohyb způsobí, že se proudění tekutiny stane chaotickým, bouří se a vlní se ve svinutých vírech, které se smykají zpět na sebe. Počátek chaosu je to, co brání pohybu tekutiny. Nález by mohl mít aplikace od 3D tisku po sanaci podzemních vod a těžbu ropy.

„Toto je krásný rukopis,“ řekl Paulo Arratia , který studuje složité tekutiny na Pensylvánské univerzitě a do práce se nepodílel.

V 60. letech 20. století pracovali reolog Arthur Metzner a jeho vysokoškolský student Ronald Marshall na ropných polích, kde inženýři často vstřikovali vodu smíchanou s takzvanými tlačnými tekutinami do země, aby vytlačili ropu a pomohli získat každou kapku ropy. Vědci si všimli, že když byla tlačná kapalina, která obsahuje polymery s dlouhým řetězcem, pumpována do země nad určitou rychlostí, zdálo se, že se nečekaně stala mnohem viskóznější nebo lepkavější, což je efekt později nalezený v mnoha podobných systémech.

Foto: Vackground / Pixabay

„Viskozita je jednou z nejdůležitějších věcí, kterou chcete předvídat, ovládat a charakterizovat,“ řekl Sujit Datta, chemický inženýr z Princetonské univerzity, který jako postgraduální student narazil na práci Metznera a Marshalla z roku 1967 na toto téma. „Říkal jsem si: ‚Je to trochu trapné, že ani po desetiletích důkladného výzkumu stále nemáme ponětí, proč je viskozita taková, jaká je, a jak vysvětlit její nárůst.“

Tlačné kapaliny a další viskoelastické kapaliny, jak jsou známé, mohou obsahovat dlouhé složité molekuly. Zpočátku se vědci domnívali, že se tyto molekuly možná hromadí v pórech v zemi a srážejí je jako vlasy ve stoce. Brzy si ale uvědomili, že to nejsou obyčejné dřeváky. Jakmile rychlost průtoku klesla pod kritickou hranici, zdálo se, že překážka úplně zmizela.

Zlom nastal v roce 2015, kdy skupina ve Schlumberger Gould Research Center v Cambridge v Anglii tento problém zjednodušila. Vědci vytvořili dvourozměrný analog písčité půdy s kanály o submilimetrové velikosti, které vedly do labyrintového pole kusů ve tvaru kříže. Poté čerpali kapaliny obsahující různé koncentrace molekul systémem. Tým si všiml, že nad určitou průtokovou rychlostí se pohyb tekutiny stal chaotický a neuspořádaný v prostorech mezi kříži, což značně zpomalilo celkový pohyb tekutiny.

Teoreticky by něco takového mělo být téměř nemožné. Běžné tekutiny jsou silně ovlivněny setrvačností, jejich tendencí neustále proudit. Voda má například velkou setrvačnost. Jak se voda pohybuje rychleji a rychleji, malé proudy v toku začnou překonávat ostatní části tekutiny, což vede k chaotickým vírům.

Složitá tekutina, jako je med, má naopak velmi malou setrvačnost. Přestane téct ve chvíli, kdy ho přestanete míchat. Z tohoto důvodu má potíže s generováním „setrvačné turbulence“ – běžného druhu turbulence, ke které dochází v spěchajícím proudu nebo pod křídly letadla.

Experimenty Cambridgeské skupiny, stejně jako chování pozorované Metznerem a Marshallem, se odehrály v kapalinách, kde byly účinky setrvačnosti velmi nízké. Neměly se objevit žádné setrvačné turbulence, ale výzkumníci stále našli chaotické proudění.

Musel působit druhý typ turbulence. Když kapaliny obsahující dlouhé molekulární řetězce proudí plynule, tyto polymery jednoduše plavou jako malé čluny. Ale jak se rychlost průtoku zvyšuje, molekuly se začnou otáčet a převalovat. Molekulární pohyb tlačí na kapalinu a vytváří jev zvaný elastická turbulence, kterému vědci stále plně nerozumí.

Aby prozkoumali možnou roli elastické turbulence, experimentátoři v Cambridge přimíchali jasné fluorescenční částice do svých tekutin, aby sledovali pohyb, a viděli, že tekutiny se v prostorech mezi kříži v jejich uspořádání staly neuspořádanými. Vědci byli poprvé schopni spojit elastickou turbulenci s neočekávaným zvýšením viskozity kapalin v porézních krajinách, řekl Datta.TLAČÍTKO PŘEHRÁT/POZASTAVITV Dattově laboratoři se viskoelastická tekutina pohybuje porézním prostředím. Když je průtok nízký (vlevo), tekutina proudí plynule. Ale při vyšším průtoku (vpravo) polymery v tekutině způsobují, že se proudění stane chaotickým, s vířivými víry, které se tvoří, rostou a mizí. S LASKAVÝM SVOLENÍM DATTA LAB

Otázkou bylo, zda něco podobného obstojí ve třech rozměrech. Ve své laboratoři Datta zkoumá takové otázky pomocí skleněných kuliček, které napodobují průhlednou půdu nebo sediment. „Existuje tento citát od velkého amerického filozofa a hráče baseballu Yogi Berry: „Pouhým sledováním můžete pozorovat hodně,“ řekl. „Myslím, že to je celý můj výzkumný program v kostce.“

Datta a jeho spoluřešitel Christopher Browne zavedli své vlastní fluorescenční mikročástice do kapalin obsahujících polymer a poté nafilmovali pohyb komplexních kapalin jejich nastavením. Jak se průtok zvyšoval, kapalina se začala převalovat a smyčkovat se zpět na sebe, nejprve v póru nebo dvou, poté v několika dalších a nakonec ve všech pórech. Vědci věděli, že to musí být elastická turbulence, protože vliv setrvačnosti v těchto látkách byl extrémně nízký, nejméně milionkrát pod typickým prahem pro výskyt setrvačné turbulence. Jejich zjištění se objevila 5. listopadu v Science Advances.

Datta je nejvíce nadšená z možného využití elastické turbulence k čištění špinavé podzemní vody. Výzkumníci se pokusili vyčistit znečištěné podzemní vodonosné vrstvy tím, že do nich napumpovali tekutinu obsahující polymer, která by měla protlačit vodu skrz podzemní horniny, které zachycují kontaminanty. Nová práce by mohla pomoci výzkumníkům formulovat tekutiny k lepšímu plnění takového úkolu, řekl Datta.

Datta a Browne nyní doufají, že se zaměří na otázky, které vyplynuly z jejich práce. Dalo by se předpokládat, že nejmenší póry v médiu jsou ty, které se nejprve stanou turbulentními, ale nezdá se, že by existovala jasná korelace mezi velikostí pórů a nástupem elastické turbulence, řekl Datta. Jeho dalším cílem je přesně určit, které faktory jsou nejrelevantnější, jako je tvar pórů nebo celková geometrie.

„Pokud dokážeme zjistit, kdy se daný pór stane nestabilním při dané rychlosti toku, abychom předpověděli, jaké bude celkové chování toku, myslím, že by to bylo neuvěřitelné,“ řekl.

Zdroj: Quanta Magazine