文章來自：原理

流體大致可以分為兩類：普通的和奇怪的。水、酒精等大致可算作普通流體，當它們流過管道或被攪動時，表現(xiàn)出的效果或多或少都符合預期；但像油漆、蜂蜜、血液等黏度較高的液體，則往往表現(xiàn)出一些令科學家不解的謎之行為。今天我們要講的故事，就與一個困擾了科學家半個多世紀的奇怪流體行為有關(guān)。

  油田里的奇怪現(xiàn)象  

在油田中，為了盡可能地提取石油，工程師通常會向地下注入水與一種所謂的推擠液的混合液。上個世紀60年代，流變學家Arthur Metzner和他的學生Ronald Marshall在油田進行野外作業(yè)時注意到，當這些含有長鏈聚合物的推擠液以一定的速度被泵入地下時，它會出乎意料之外地變得更加粘稠。

這樣的效應在后來的許多類似系統(tǒng)中都被觀察到了。然而經(jīng)過幾十年的深入研究，科學家仍然不知道這些液體為什么會變得更加粘稠。由此引發(fā)了一個持續(xù)50多年之久的謎題：為什么在壓力作用下，一些特定的流體在流過多孔材料（如土壤和沉積巖）時會怪異地減速？

現(xiàn)在，一組來自普林斯頓大學的研究人員用實驗找到了這個謎題的答案。他們將研究結(jié)果發(fā)表在了《科學進展》雜志上。

  聚合物溶液  

無論是油田里的推擠液，還是其他一些粘稠流體，都可以被統(tǒng)稱為聚合物溶液。這些溶液中可以含有長而復雜的分子，比如包含溶解的聚合物，或含有由具有許多重復的亞基的大分子組成的材料。

許多能源、環(huán)境、工業(yè)過程，都依賴于這些聚合物溶液在多孔介質(zhì)上的流動。通常，在壓力的作用下，聚合物溶液的黏度會降低，流動速度會加快；但當它們通過多孔介質(zhì)時，黏度會增加，從而流速降低。

起初，科學家認為這種現(xiàn)象或許是由于溶液中的大分子在孔隙中堆積導致的，像排水孔被頭發(fā)堵住了一樣。但他們很快意識到，問題沒有這么簡單，因為一旦聚合物溶液的流速降至臨界閾值以下，這樣的情況就完全消失了。

  新穎的實驗  

為了找到問題的根源，在新研究中，研究人員設計了一個新穎的實驗來觀察聚合物溶液是在流經(jīng)多孔介質(zhì)時發(fā)生了什么。

整個實驗設備是由一個長方形的小腔室組成的，長度只有小指的一半，腔室中隨機地填入許多微小的硼硅酸鹽玻璃珠。這些透明的玻璃珠充當了多孔介質(zhì)的角色，它們就像是一塊透明的人造巖石，讓研究人員能直觀地觀測聚合物溶液在其中的運動。

研究人員開發(fā)了一種透明介質(zhì)，可以讓他們觀察聚合物流動。| 圖片來源David Kelly Crow拍攝

在這塊“人造巖石”中，研究人員將一種常見的聚合物溶液注入其中。為了便于觀察溶液在微型玻璃珠周圍的流動情況，他們提前在聚合物溶液中添加了熒光乳膠微粒。

與此同時，他們還對實驗中所使用的聚合物溶液進行了特殊配制，使得材料的折射率可以抵消來自玻璃珠的光學畸變，并使整個裝置在飽和時是呈透明的狀態(tài)。

在實驗過程中，為了能夠便檢查液體通過每個毛孔的流動情況，他們將顯微鏡聚焦在微型孔上，或者說玻璃珠之間的空隙上。這些空隙的大小在百微米級的尺度上，與人類頭發(fā)的粗細類似。

  令人意外的發(fā)現(xiàn)  

在這一實驗裝置中，研究人員拍攝到了流體的運動。他們觀察到，當聚合物溶液通過多孔介質(zhì)時，隨著流速的增加，它們的流動開始變得混亂，會在與自身的相撞中翻滾并自我循環(huán)，產(chǎn)生湍流。這種現(xiàn)象一開始發(fā)生在一兩個空隙中，接著越來越多，到最后布滿了所有空隙。

一種粘性流體穿過多孔介質(zhì)，當流速較低時（左），流體流動平穩(wěn)；但當流速變高時（右），流體中的聚合物會導致流體變得混亂，旋渦會不斷的形成、增長和消失。| 動圖來源：Datta Lab

這種現(xiàn)象讓研究人員感到驚訝，因為通常來說，當流體以這樣的流速在如此致密的孔隙中流動時，并不會出現(xiàn)湍流，而是層流，即流體平穩(wěn)而穩(wěn)定地流動。

他們發(fā)現(xiàn)，當這些聚合物溶液在孔隙空間中穿行時，它們會伸展，產(chǎn)生能夠在不同孔隙中積累并導致湍流的力。當在更高的壓力下推動溶液通過時，這種效應會變得更加明顯。

通過這個實驗，研究人員清晰地看到并記錄了所有不穩(wěn)定的區(qū)域，并發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域確實影響了溶液在通過介質(zhì)時的傳輸。他們用從實驗中收集的數(shù)據(jù)制定了一種方法來預測聚合物溶液在現(xiàn)實生活中的行為。

  應用廣泛  

黏度是描述流體流動最基本的性質(zhì)之一，這是科學家首次將湍流與多孔介質(zhì)中的黏度增加聯(lián)系起來。一直以來，科學家都無法預測在多孔介質(zhì)中流動的聚合物溶液的黏度。而新的研究證實了這種預測是可以實現(xiàn)的。現(xiàn)在，我們可以確切地看到，當聚合物溶液是被泵入地下或其他不透明的多孔介質(zhì)中時發(fā)生了什么。這個困擾了科學家半個多世紀的謎題終于被揭開。

這一發(fā)現(xiàn)不僅將有助于加深對聚合物溶液流動和混沌流動的理解，而且還將有助于改善能源、環(huán)境和工業(yè)部門的許多重要過程，比如指導相關(guān)領域的從業(yè)者在不同環(huán)境下制備正確的聚合物溶液，以及用正確的壓力來完成任務。

因為聚合物溶液本身是粘稠的，環(huán)境工程師可以將聚合物溶液注入存在高度污染的地方，比如廢棄的化工廠和其他工業(yè)工廠。粘稠的溶液有助于從受影響的土壤中排除痕量污染物。此外，利用正確的聚合物溶液，還可以更好地將石油從地下巖石的孔隙中擠出來，從而提高石油開采的效率。而最令研究人員興奮的是，聚合物溶液的湍流或許可以被很好地用來清潔受到了污染的地下水。