Un puzzle di 54 anni risolto rompendo una roccia artificiale

Il problema del flusso di soluzioni polimeriche in un mezzo poroso

Il controllo dell’inquinamento delle acque sotterranee, l’estrazione del petrolio, ma anche alcuni processi di filtrazione si basano sull’uso di fluidi viscosi chiamati soluzioni polimeriche. Questo tipo di liquido è presente, ad esempio, nelle creme cosmetiche. Contiene polimeri disciolti in una fase liquida. A seconda dei campi di applicazione, questi fluidi viscosi molto specifici possono essere iniettati anche nelle rocce del sottosuolo o in vari materiali generalmente porosi. Quindi comprendere il flusso di soluzioni polimeriche in questo tipo di mezzo rappresenta un Scientifico, ambientale ma anche industriale.

Le creme cosmetiche sono realizzate con soluzioni polimeriche per garantirne la consistenza. Ma questa non è l’unica area di utilizzo di questo tipo di fluido © AdoreBeautyNZ, Pixabay

Tuttavia, uno dei fattori primari che descrivono il flusso di questi fluidi, viscosità apparente, non si è ancora capito. La viscosità apparente determina la resistenza di un liquido a fluire all’interno di una rete porosa. Solitamente, quando vengono pressate, ad esempio in un tubo, le soluzioni polimeriche diventano meno viscose, più liquide e quindi scorrono più velocemente. Tuttavia, questo comportamento non si osserva quando la soluzione polimerica viene iniettata in materiali con elevata porosità, cioè molti fori microscopici. In questo caso, contrariamente a quanto previsto, la viscosità apparente del liquido in pressione aumenta e la sua velocità di flusso diminuisce. Questo comportamento inaspettato ha suscitato interrogativi da parte degli scienziati per decenni. Quali interazioni, a livello microscopico, tra il materiale e la soluzione polimerica influenzano il flusso a questo punto su scala microscopica? Se sono già stati effettuati diversi modelli 2D ed esperimenti per cercare di trovare una spiegazione, non è stata eseguita alcuna osservazione diretta del flusso 3D.

Le scorie vulcaniche sono un esempio di materiale naturale con porosità estremamente elevata © I, Jonathan Zander, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Guarda il flusso all’interno di un materiale trasparente

Pertanto, due ricercatori della Princeton University negli Stati Uniti hanno studiato questo problema. I loro risultati forniscono una chiara convalida dei processi fisici in atto su scala microscopica durante il flusso della soluzione polimerica all’interno della rete porosa. Questo studio, che si trova all’interfaccia tra la fisica dei polimeri, la fisica dei flussi e le geoscienze, potrebbe avere potenti implicazioni in molte aree.

Per risolvere questo mistero, i ricercatori hanno condotto un esperimento innovativo realizzando una roccia artificiale porosa e traslucida fatta di minuscole perle di vetro. Il vantaggio di questo materiale è che possiamo osservare il flusso diretto del fluido in 3D, il che consente di tracciare una buona analogia con ciò che accade in un ambiente naturale, ad esempio all’interno di una roccia sedimentaria. Alla soluzione polimerica sono state aggiunte particelle fini di lattice fluorescente per poterne monitorare il flusso nella rete porosa del materiale. Semplice in linea di principio, l’esperimento non è stato di facile attuazione.

L’esperienza mostra che quando una soluzione polimerica viene iniettata sotto pressione in un mezzo poroso, il suo flusso diventa caotico e turbolento, il che ne rallenta il flusso. Secondo le leggi della viscosità, il flusso dovrebbe essere laminare, il che consente al liquido di fluire più facilmente. Questa anomalia comportamentale può derivare dalla natura stessa della soluzione polimerica e dal fatto che le microparticelle polimeriche si deformano e si allungano ruotando negli spazi creati dai pori, generando forze che si accumulano e generano turbolenza nel flusso. Ogni volta che la soluzione polimerica viene posta ad alta pressione, questo effetto viene amplificato.

Un esempio di flusso laminare e turbolento. Il fumo della candela scorre prima in un laminare e poi diventa turbolento © Gary Settles, Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0]

Molte applicazioni, soprattutto per il trattamento del suolo

Lo studio, i cui risultati sono pubblicati su Science Advances, offre molti elementi per comprendere l’uso delle soluzioni polimeriche nel campo. I risultati consentiranno in particolare di modificare la formulazione delle soluzioni polimeriche in funzione delle aree di applicazione e di sapere quale pressione applicare per evitare questo effetto di aumentare il più possibile la viscosità apparente.

Questi risultati sono molto attesi nel campo del controllo dell’inquinamento delle acque sotterranee, ad esempio nel caso di siti inquinati dall’industria chimica. Poiché le soluzioni polimeriche sono alla base dei fluidi viscosi, questa proprietà è molto utile per l’estrazione dell’acqua inquinata presente nelle porosità del sottosuolo. Il fluido iniettato quindi ‘spingerà’ i pori dell’acqua verso la superficie dove potrà poi essere catturata e trattata. Questa tecnologia è già utilizzata nell’industria petrolifera, dove viene utilizzata specificamente per estrarre quanto più petrolio possibile dal giacimento. Pertanto, le applicazioni sono numerose e riguardano molti campi.

Questa tecnica sperimentale in particolare potrebbe consentire di comprendere meglio il comportamento dei fluidi nel contesto degli acquiferi di pompaggio, un problema importante con l’aumento dei periodi di siccità.

Fonte: Browne e Datta, La turbolenza elastica genera una resistenza al flusso anomala nei mezzi porosi, Science Advances, 2021 Vol 7, No. 45, DOI: 10.1126 / sciadv.adj2619