微型聚合物弹簧有助于环境净化

作者：科特 · 里昂（Scott Lyon）/ 普林斯顿大学（Princeton University）

清理地下水绝非易事，但普林斯顿大学的一个研究小组的任务是使用“微型弹簧”简化这一过程。

由研究生克里斯托弗·布朗（Christopher Browne）领导的苏吉特·达塔（Sujit Datta）实验室的一项研究发现，一类有前途的清洁解决方案的行为方式既混淆了传统流体模型，又说明了其对修复工作的有用性。该论文于3月2日发表在《流体力学杂志》上，该论文有助于解决数十年来有关为什么这些清洁剂仅在某些条件下起作用的难题。

普林斯顿大学的研究人员破解了流体动力学领域长达数十年的难题，这表明了为什么在某些情况下（而非其他情况下）专用聚合物流体冲洗地下水含水层中的污染物的原因。 这项工作将帮助工程师控制敏感环境中的清理工作。（图片由研究人员提供）

流体包含微小的聚合物股，它们在穿过多孔岩石时像弹簧一样起作用。出于某种原因，科学家们才刚刚开始理解，那些弹簧会在孔隙中产生微小的涡流，扰乱水流，并清除地下角落和缝隙中的污染物。布朗的论文表明，当孔隙足够靠近时，涡流会在空间中同步，效果会更强。研究人员称其为双稳态，指的是两种可能的平衡状态。从光开关到细胞分裂，在整个物理世界中都能发现双稳态。先前的工作假设这些流体通过孔的结构只有一个状态。

化学和生物工程学助理教授达塔说：“我们发现，在多孔介质中，并非所有流动都是均匀的，某些孔显示出一种流动结构，而其他孔则显示出另一种（双稳态）形式。”以及该论文的资深作者。 “如果我们了解这些结构的形成方式，那么我们可以预测流体的行为。”

聚合物流体可能是从受污染的含水层中清除原油，汞和其他污染物的有效工具。但是，由于无法确切了解这些流体的工作方式，并且无法预测其影响，因此在敏感环境中会造成危险。工程师对使用它们保持警惕，因为在某些情况下，使用错误的解决方案会使情况变得更糟。解决清理问题意味着需要更深入地了解地下这种弹性动作。

这个问题已经困扰研究人员十多年了。尽管在了解孔的形状和大小的影响方面已经取得了进展，但布朗的研究是第一个显示孔间距影响的研究，它开启了一条新的研究路线，最终可以使流体的潜力发挥到极致。

“如果我们有一个关于（聚合物）如何在真实几何形状中流动的良好基本模型，那么，如果您的地下水含水层漏水，使用这些模型，您可能会说，'是的，聚合物会或不会”，然后，“这就是您应该使用该聚合物的方式，”布朗说。

这项研究的关键是达塔的不可思议的穿透墙壁的能力——用模拟地下环境的透明材料创建模型环境，然后使用专门的图像来分析水流。

该团队使用3D打印创建了类似岩石的孔隙，并迫使流体在高压下通过。随着数据的到来，他们意识到流过这些小角落的流量比数学预测的更加混乱。当他们改变间距时，数据也改变了。这一变化引发了关于流体行为的新问题，论文对此做出了回答。当毛孔靠近时，弹簧没有时间从一个孔沉降到另一个孔。混响像高速公路堆积一样向后累积。推断到现实世界中的场景，具有三个维度和更多的混乱，新近观察到的效果填补了科学家对聚合物溶液行为的理解中的某些空白。这是Datta实验室如何将复杂的流体问题分解为可管理的部分，然后将它们逐段组合以阐明潜在现实的一个示例。

布朗说：“我们采用那些简化的几何形状，然后将它们慢慢扩展到更实际的几何形状。”，“在真实的孔隙空间中，您会堆积许多不同形状和大小的岩粒。”

Browne与普林斯顿大学资深学士Audrey Shih密切合作，后者分析了数据并帮助设计了实验的各个方面。在通过安德林格能源与环境中心实习的支持下，Shih提出了她的初中论文和暑期工作的一部分，她提出了一种系统地检查间距变量的方法。

达塔说：“奥黛丽真的很怀念这个项目，并且涉足了文学作品。”基于这种涉水，研究人员还在Small杂志上发表了一篇评论文章。

达塔（Datta）表示，布朗（Browne）和施（Shih）之间的合作，尤其是在这种情况下，给他留下了深刻的印象：研究生指导本科生，设计了一个实验，消除了长期存在的环境问题，创造了一种方法，为这个领域打开了新的问题。

他说：“他们在一起工作的方式很美。”

原文网址：https://www.princeton.edu/news/2020/04/06/tiny-polymer-springs-give-boost-environmental-cleanup

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