Um estudo do laboratório de Sujit Datta, liderado pelo estudante de graduação Christopher Browne, descobriram que uma classe promissora de soluções de limpeza se comporta de maneiras que confundem os modelos de fluidos tradicionais e explicam sua utilidade para os esforços de remediação. Publicado em 2 de março no Journal of Fluid Mechanics , o artigo ajuda a resolver um quebra-cabeça de décadas sobre por que esses produtos de limpeza só funcionam em algumas condições.

Os fluidos contêm filamentos microscópicos de polímero que agem como molas à medida que se movem através de rochas porosas. Por razões que os cientistas estão apenas começando a entender, essas fontes podem criar pequenos redemoinhos nos poros, perturbar o fluxo e desalojar contaminantes dos cantos e fendas subterrâneas. O artigo de Browne mostra que quando os poros estão próximos o suficiente, os redemoinhos se sincronizam entre os espaços e os efeitos se tornam mais fortes. Os pesquisadores chamam de biestabilidade, referindo-se aos dois possíveis estados de equilíbrio. A biestabilidade pode ser encontrada em todo o mundo físico, em tudo, desde interruptores de luz até a divisão celular. Trabalhos anteriores presumiram que havia apenas um único estado na estrutura do fluxo desses fluidos através dos poros.

"O que descobrimos é que em um meio poroso, em vez de o fluxo ser uniforme por toda parte, alguns poros mostram um tipo de estrutura de fluxo e outros poros mostram outro - uma forma de biestabilidade, "disse Datta, professor assistente de engenharia química e biológica e autor sênior do artigo. "Se entendermos como essas estruturas se formam, então podemos prever como o fluido se comportará. "

Fluidos de polímero podem ser uma ferramenta eficaz na limpeza de petróleo bruto, mercúrio e outros contaminantes de aquíferos poluídos. Mas não sabendo exatamente como esses fluidos funcionam, e não ser capaz de prever seus efeitos, torna-os perigosos em ambientes sensíveis. Os engenheiros permanecem cautelosos quanto ao seu uso porque, em alguns casos, usar a solução errada pode piorar as coisas. Resolver o problema de limpeza significa dar uma olhada mais de perto nesta ação elástica no subsolo.

A questão incomoda os pesquisadores há mais de 10 anos. Embora tenha havido progresso na compreensão dos efeitos da forma e do tamanho dos poros, O estudo de Browne é o primeiro a mostrar os efeitos do espaçamento dos poros, abrindo uma nova linha de investigação que poderia finalmente trazer o potencial dos fluidos ao seu alcance.

"Se pudermos ter um bom modelo fundamental de como [os polímeros] fluem em geometrias reais, então, se você tiver um aquífero subterrâneo com um vazamento, usando esses modelos, você poderia dizer, 'sim, um polímero vai ou não vai ajudar, " e então, 'é assim que você deve usar esse polímero, '"Browne disse.

A chave para este estudo é a capacidade fantástica de Datta de ver através das paredes - para criar ambientes de modelo a partir de materiais transparentes que imitam as condições subterrâneas, em seguida, use imagens especializadas para analisar o fluxo.

A equipe usou impressão 3-D para criar poros semelhantes a rochas e forçou a passagem do fluido em alta pressão. Conforme os dados chegavam, eles perceberam que o fluxo através dos pequenos cantos era mais caótico do que a matemática previa. À medida que mudaram o espaçamento, os dados mudaram, também. Essa mudança levantou uma nova questão sobre o comportamento do fluido, que o papel responde. Quando os poros estão juntos, as molas não têm tempo de se acomodar de um poro a outro. As reverberações se acumulam para trás como um engavetamento na estrada. Extrapolado para cenários do mundo real, com três dimensões e muito mais desordem, o efeito recém-observado preenche algumas das lacunas, por assim dizer, na compreensão dos cientistas sobre o comportamento das soluções poliméricas. É um exemplo de como o laboratório de Datta divide problemas complexos de fluidos em partes gerenciáveis, em seguida, combina-os peça por peça para iluminar a realidade subjacente.

"Pegamos essas geometrias simplificadas e lentamente as estendemos para geometrias mais realistas, "Browne disse." Em um espaço de poro real, você tem muitos grãos de rocha de diferentes formas e tamanhos embalados juntos. "

Browne trabalhou em estreita colaboração com Audrey Shih sênior de Princeton, que analisou os dados e ajudou a projetar aspectos do experimento. Como parte de sua tese júnior e trabalho de verão apoiado por um estágio no Centro Andlinger de Energia e Meio Ambiente, Shih descobriu uma maneira de examinar sistematicamente a variável de espaçamento.

"Audrey realmente levou esse projeto a sério e vasculhou a literatura, "Datta disse. Com base naquela caminhada, os pesquisadores também publicaram um artigo de revisão na revista Pequena .

Datta disse que a colaboração entre Browne e Shih, particularmente sofisticado neste caso, deixou uma forte impressão sobre ele:aluno de pós-graduação mentor de graduação, projetar um experimento que destruiu um problema ambiental de longa data, criando uma abordagem que abriu novas questões para o campo.

"Foi lindo a maneira como eles trabalharam juntos, " ele disse.