流體大緻可以分為兩類：普通的和奇怪的。水、酒精等大緻可算作普通流體，當它們流過管道或被攪動時，表現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。
油田裡的奇怪現象
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時注意到，當這些含有長鍊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。
這樣的效應在後來的許多類似系統中都被觀察到了。然而經過幾十年的深入研究，科學家仍然不知道這些液體為什麼會變得更加粘稠。由此引發了一個持續50多年之久的謎題：為什麼在壓力作用下，一些特定的流體在流過多孔材料（如土壤和沉積岩）時會怪異地減速？
現在，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。他們将研究結果發表在了《科學進展》雜志上。
聚合物溶液
無論是油田裡的推擠液，還是其他一些粘稠流體，都可以被統稱為聚合物溶液。這些溶液中可以含有長而複雜的分子，比如包含溶解的聚合物，或含有由具有許多重複的亞基的大分子組成的材料。
許多能源、環境、工業過程，都依賴于這些聚合物溶液在多孔媒體上的流動。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；但當它們通過多孔媒體時，黏度會增加，進而流速降低。
起初，科學家認為這種現象或許是由于溶液中的大分子在孔隙中堆積導緻的，像排水孔被頭發堵住了一樣。但他們很快意識到，問題沒有這麼簡單，因為一旦聚合物溶液的流速降至臨界門檻值以下，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多孔媒體時發生了什麼。
整個實驗裝置是由一個長方形的小腔室組成的，長度隻有小指的一半，腔室中随機地填入許多微小的硼矽酸鹽玻璃珠。這些透明的玻璃珠充當了多孔媒體的角色，它們就像是一塊透明的人造岩石，讓研究人員能直覺地觀測聚合物溶液在其中的運動。
研究人員開發了一種透明媒體，可以讓他們觀察聚合物流動。| 圖檔來源David Kelly Crow拍攝
在這塊“人造岩石”中，研究人員将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态。
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，他們将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，與人類頭發的粗細類似。
令人意外的發現
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媒體時，随着流速的增加，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，産生湍流。這種現象一開始發生在一兩個空隙中，接着越來越多，到最後布滿了所有空隙。
一種粘性流體穿過多孔媒體，當流速較低時（左），流體流動平穩；但當流速變高時（右），流體中的聚合物會導緻流體變得混亂，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緻密的孔隙中流動時，并不會出現湍流，而是層流，即流體平穩而穩定地流動。
他們發現，當這些聚合物溶液在孔隙空間中穿行時，它們會伸展，産生能夠在不同孔隙中積累并導緻湍流的力。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定的區域，并發現這些區域确實影響了溶液在通過媒體時的傳輸。他們用從實驗中收集的資料制定了一種方法來預測聚合物溶液在現實生活中的行為。
應用廣泛
黏度是描述流體流動最基本的性質之一，這是科學家首次将湍流與多孔媒體中的黏度增加聯系起來。一直以來，科學家都無法預測在多孔媒體中流動的聚合物溶液的黏度。而新的研究證明了這種預測是可以實作的。現在，我們可以确切地看到，當聚合物溶液是被泵入地下或其他不透明的多孔媒體中時發生了什麼。這個困擾了科學家半個多世紀的謎題終于被揭開。
這一發現不僅将有助于加深對聚合物溶液流動和混沌流動的了解，而且還将有助于改善能源、環境和工業部門的許多重要過程，比如指導相關領域的從業者在不同環境下制備正确的聚合物溶液，以及用正确的壓力來完成任務。
因為聚合物溶液本身是粘稠的，環境工程師可以将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，利用正确的聚合物溶液，還可以更好地将石油從地下岩石的孔隙中擠出來，進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。
#創作團隊：
撰文：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://cbe.princeton.edu/news/fractured-artificial-rock-helps-crack-54-year-old-mystery
https://www.quantamagazine.org/an-injection-of-chaos-solves-decades-old-fluid-mystery-20220104/
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj2619
#圖檔來源：
封面圖：Dids / Pexels
首圖：GEORGE DESIPRIS / Pexels