Svelato il mistero dei fluidi che si rassodano con forti impatti o alte velocità

 

Svelato il mistero dei fluidi che si rassodano con forti impatti o alte velocità

I fluidi possono essere approssimativamente divisi in due categorie: quelli regolari e quelli strani. Quelli regolari, come l'acqua e l'alcol, agiscono più o meno come ci si aspetta quando vengono pompati attraverso i tubi o mescolati con un cucchiaio. Tra quelle strane - che includono sostanze come la vernice, il miele, il muco, il sangue, il ketchup e l'oobleck - si nasconde una grande varietà di enigmi comportamentali che hanno sconcertato i ricercatori nel corso dei secoli.


Uno di questi enigmi di lunga data, articolato per la prima volta quasi 55 anni fa, si presenta quando certi liquidi fluiscono attraverso crepe e buchi in un paesaggio poroso come il terreno spugnoso. All'inizio il liquido scorre normalmente. Ma man mano che la sua velocità di flusso aumenta, passerà una soglia critica in cui sembrerà improvvisamente coalizzarsi - la sua viscosità salirà come un martini che si trasforma in melassa.


Un nuovo studio attribuisce l'effetto a minuscole molecole sospese nel fluido che vorticano e si allungano mentre la velocità di flusso aumenta. A un certo punto, il movimento molecolare fa sì che il flusso del fluido diventi caotico, aumentando e increspando in vortici contorti che tornano su se stessi. L'inizio del caos è ciò che impedisce il movimento del fluido. La scoperta potrebbe avere applicazioni che vanno dalla stampa 3D alla bonifica delle acque sotterranee e al recupero del petrolio.


"Questo è un bellissimo manoscritto", ha detto Paulo Arratia, che studia i fluidi complessi all'Università della Pennsylvania e non è stato coinvolto nel lavoro.


Negli anni '60, il reologo Arthur Metzner e il suo studente universitario Ronald Marshall stavano lavorando sui campi petroliferi, dove gli ingegneri spesso iniettavano acqua mescolata ai cosiddetti fluidi pusher nel terreno per spostare il petrolio e aiutare a estrarre ogni goccia di greggio. Gli scienziati hanno notato che quando il fluido pusher, che contiene polimeri a catena lunga, veniva pompato nel terreno oltre una certa velocità, sembrava diventare inaspettatamente molto più viscoso, o appiccicoso, un effetto poi riscontrato in molti sistemi simili.


"La viscosità è una delle cose più importanti che si vuole essere in grado di prevedere, controllare e caratterizzare", ha detto Sujit Datta, un ingegnere chimico dell'Università di Princeton che si è imbattuto nel documento di Metzner e Marshall del 1967 sull'argomento quando era uno studente laureato. "Ero come, 'Questo è un po' imbarazzante che anche dopo decenni di profonda ricerca non abbiamo ancora idea del perché la viscosità è quello che è, e come spiegare l'aumento'".


I fluidi di spinta e altri fluidi viscoelastici, come sono conosciuti, possono contenere molecole lunghe e complesse. All'inizio, gli scienziati pensavano che forse queste molecole si stavano accumulando nei pori del terreno, intasandoli come capelli nello scarico. Ma presto si sono resi conto che non si trattava di semplici intasamenti. Non appena il tasso di flusso scendeva sotto una soglia critica, l'ostruzione sembrava scomparire completamente.


Una svolta è arrivata nel 2015 quando un gruppo dello Schlumberger Gould Research Center di Cambridge, in Inghilterra, ha semplificato il problema. I ricercatori hanno costruito un analogo bidimensionale del terreno sabbioso, con canali di dimensioni submillimetriche che portano in una serie labirintica di pezzi a forma di croce. Hanno poi pompato fluidi contenenti diverse concentrazioni di molecole attraverso il sistema. Il team ha notato che al di sopra di una certa velocità di flusso, il movimento del fluido è diventato disordinato negli spazi tra le croci, rallentando notevolmente il movimento complessivo del liquido.


In teoria, una cosa del genere dovrebbe essere quasi impossibile. I fluidi regolari sono fortemente influenzati dall'inerzia, la loro tendenza a continuare a scorrere. L'acqua, per esempio, ha molta inerzia. Quando l'acqua si muove sempre più velocemente, piccole correnti all'interno del flusso inizieranno a superare altre sezioni del fluido, portando a vortici caotici.


Un fluido complesso come il miele, al contrario, ha pochissima inerzia. Smetterà di scorrere nel momento in cui si smette di mescolarlo. A causa di questo, ha difficoltà a generare "turbolenza inerziale" - il tipo ordinario di turbolenza che accade in una corrente impetuosa o sotto le ali di un aereo.


Gli esperimenti del gruppo di Cambridge, così come il comportamento osservato da Metzner e Marshall, sono avvenuti in fluidi dove gli effetti dell'inerzia erano molto bassi. Nessuna turbolenza inerziale avrebbe dovuto apparire, ma i ricercatori hanno comunque trovato un flusso caotico.


Un secondo tipo di turbolenza doveva essere all'opera. Quando i liquidi contenenti lunghe catene molecolari scorrono in modo tranquillo, questi polimeri galleggiano semplicemente come piccole chiatte. Ma quando la velocità del flusso aumenta, le molecole cominciano a roteare e a rotolare. Il movimento molecolare spinge il liquido e genera un fenomeno chiamato turbolenza elastica, che gli scienziati ancora non capiscono completamente.


Per indagare il possibile ruolo della turbolenza elastica, gli sperimentatori di Cambridge hanno mescolato particelle fluorescenti luminose nei loro fluidi per tracciare il movimento e hanno visto che i fluidi diventavano disordinati negli spazi tra le croci nel loro setup. Per la prima volta, i ricercatori sono stati in grado di collegare la turbolenza elastica con l'inaspettato aumento di viscosità dei liquidi nei paesaggi porosi, ha detto Datta.



La domanda era se qualcosa di simile potesse reggere in tre dimensioni. Nel suo laboratorio, Datta indaga su queste domande usando perle di vetro che imitano il terreno o i sedimenti trasparenti. C'è una citazione del grande filosofo e giocatore di baseball americano Yogi Berra: "Si può osservare molto semplicemente guardando", ha detto. "Penso che questo sia il mio intero programma di ricerca in poche parole".


Datta e il suo co-investigatore Christopher Browne hanno introdotto le loro microparticelle fluorescenti nei fluidi contenenti polimeri, poi hanno filmato il movimento dei fluidi complessi attraverso il loro setup. Con l'aumento della velocità di flusso, il liquido ha cominciato a ruzzolare e ad avvolgersi su se stesso, prima in un poro o due, poi in molti altri, e alla fine in tutti i pori. I ricercatori sapevano che questa doveva essere una turbolenza elastica perché l'influenza dell'inerzia in queste sostanze era estremamente bassa, almeno un milione di volte al di sotto della soglia tipica per la comparsa della turbolenza inerziale. I loro risultati sono apparsi il 5 novembre in Science Advances.


Datta è più entusiasta di sfruttare potenzialmente la turbolenza elastica per pulire le acque sotterranee sporche. I ricercatori hanno cercato di ripulire le falde acquifere sotterranee inquinate pompando un fluido contenente polimeri in esse, che dovrebbe forzare l'acqua attraverso le rocce sotterranee che intrappolano i contaminanti. Il nuovo lavoro potrebbe aiutare i ricercatori a formulare i fluidi per realizzare meglio tale compito, ha detto Datta.


Datta e Browne sperano ora di rivolgersi alle domande che sono emerse dal loro lavoro. Si potrebbe supporre che i pori più piccoli in un mezzo siano quelli che per primi diventano turbolenti, ma non sembra esserci una chiara correlazione tra la dimensione dei pori e l'inizio della turbolenza elastica, ha detto Datta. Determinare esattamente quali fattori sono più rilevanti, come la forma dei pori o la geometria complessiva, è il suo prossimo obiettivo.


"Se possiamo capire quando un dato poro diventerà instabile ad una data velocità di flusso per prevedere quale sarà il comportamento generale del flusso, penso che sarebbe incredibile", ha detto.


quantamagazine

Scrivi cosa ne pensi

Condividi la tua opinione nel rispetto degli altri. Niente link.

Nuova Vecchia