مصر: ايهاب محمد زايد
حقنة من الفوضى تحل لغز الموائع القديم في الستينيات من القرن الماضي ، لاحظ المنقبون أن بعض السوائل سوف تتماسك إذا كانت تتدفق بسرعة كبيرة. شرح الباحثون السبب في النهاية.
يمكن تقسيم السوائل تقريبًا إلى فئتين: العادية والأخرى غريبة. تعمل الأنواع العادية ، مثل الماء والكحول ، بشكل أو بآخر كما هو متوقع عند ضخها عبر الأنابيب أو تحريكها بملعقة. تكمن بين الأشياء الغريبة – والتي تشمل مواد مثل الطلاء والعسل والمخاط والدم والكاتشب والأوبلك – مجموعة واسعة من الألغاز السلوكية التي حيرت الباحثين على مر القرون.
ظهرت إحدى هذه الأحجية الطويلة الأمد ، والتي تم التعبير عنها لأول مرة منذ ما يقرب من 55 عامًا ، عندما تتدفق سوائل معينة عبر الشقوق والثقوب في المناظر الطبيعية المسامية مثل التربة الإسفنجية. في البداية يتدفق السائل بشكل طبيعي. ولكن مع زيادة معدل تدفقه ، فإنه سيمر عتبة حرجة حيث سيبدو فجأة وكأنه يتحد – لزوجته تتصاعد مثل مارتيني يتحول إلى دبس السكر.
تثبت دراسة جديدة التأثير على الجزيئات الصغيرة العالقة في السائل والتي تدور وتمتد مع ارتفاع معدل التدفق. في مرحلة ما ، تتسبب الحركة الجزيئية في أن يصبح تدفق السوائل فوضويًا ، واندفاعًا وتموجًا في دوامات ملتوية تلتف مرة أخرى على نفسها. بداية الفوضى هو ما يعيق حركة السائل. يمكن أن يكون لهذا الاكتشاف تطبيقات تتراوح من الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى معالجة المياه الجوفية واستعادة النفط.
قال باولو أراتيا ، الذي يدرس السوائل المعقدة في جامعة بنسلفانيا ولم يشارك في العمل: “هذه مخطوطة جميلة”. في الستينيات من القرن الماضي ، كان عالم الريال آرثر ميتزنر وطالبه الجامعي رونالد مارشال يعملان في حقول النفط ، حيث كان المهندسون في كثير من الأحيان يضخون الماء الممزوج بما يسمى بالسوائل الدافعة في الأرض لتحل محل النفط والمساعدة في استخراج كل قطرة من النفط الخام. لاحظ العلماء أنه عندما تم ضخ السائل الدافع ، الذي يحتوي على بوليمرات طويلة السلسلة ، في الأرض فوق معدل معين ، بدا أنه أصبح بشكل غير متوقع أكثر لزوجة أو لزوجة ، وهو تأثير وجد لاحقًا في العديد من الأنظمة المماثلة.
قال سوجيت داتا ، مهندس كيميائي في جامعة برينستون والذي صادف ورقة ميتزنر ومارشال عام 1967 حول هذا الموضوع كطالب دراسات عليا: “اللزوجة هي أحد أهم الأشياء التي تريد أن تكون قادرًا على التنبؤ بها والتحكم فيها وتمييزها”. “كنت مثل ،” هذا نوع من الإحراج حتى بعد عقود من البحث العميق ، ما زلنا لا نملك أي فكرة عن سبب كون اللزوجة كما هي ، وكيفية تفسير الزيادة. “
يمكن أن تحتوي السوائل الدافعة وغيرها من السوائل اللزجة المرنة ، كما هو معروف ، على جزيئات طويلة ومعقدة. في البداية ، اعتقد العلماء أن هذه الجزيئات ربما كانت تتراكم في المسام في الأرض ، فتطلق عليها مثل الشعر في البالوعة. لكنهم سرعان ما أدركوا أن هذه لم تكن مجرد قباقيب. بمجرد أن انخفض معدل التدفق إلى ما دون عتبة حرجة ، بدا أن العائق يختفي تمامًا.
حدثت نقطة تحول في عام 2015 عندما قامت مجموعة في مركز أبحاث شلمبرجير جولد في كامبريدج بإنجلترا بتبسيط المشكلة. قام الباحثون ببناء نظير ثنائي الأبعاد للتربة الرملية ، مع قنوات بحجم ما دون المليمتر تؤدي إلى مجموعة متاهة من القطع المتقاطعة. ثم قاموا بضخ السوائل التي تحتوي على تركيزات مختلفة من الجزيئات من خلال النظام. لاحظ الفريق أنه فوق معدل تدفق معين ، أصبحت حركة السائل فوضوية وغير منظمة في الفراغات بين التقاطعات ، مما أدى إلى إبطاء الحركة الكلية للسائل بشكل كبير.
من الناحية النظرية ، شيء من هذا القبيل يجب أن يكون شبه مستحيل. تتأثر السوائل العادية بشدة بالقصور الذاتي ، وميلها إلى الاستمرار في التدفق. الماء ، على سبيل المثال ، لديه الكثير من الجمود. عندما يتحرك الماء بشكل أسرع وأسرع ، ستبدأ تيارات صغيرة داخل التدفق في تفوق الأجزاء الأخرى من السائل ، مما يؤدي إلى دوامات فوضوية.
على النقيض من ذلك ، فإن السائل المعقد مثل العسل لديه القليل جدًا من الجمود. سيتوقف عن التدفق في اللحظة التي تتوقف فيها عن التقليب. وبسبب هذا ، فإنه يواجه مشكلة في توليد “الاضطراب بالقصور الذاتي” – النوع العادي من الاضطراب الذي يحدث في تيار متدفق أو تحت أجنحة الطائرة.
حدثت تجارب مجموعة كامبريدج ، بالإضافة إلى السلوك الذي لاحظه ميتزنر ومارشال ، في السوائل حيث كانت تأثيرات القصور الذاتي منخفضة للغاية. لا ينبغي أن تظهر اضطرابات بالقصور الذاتي ، لكن الباحثين وجدوا أن التدفق فوضويًا.
نوع آخر من الاضطراب كان يجب أن يكون في العمل. عندما تتدفق السوائل التي تحتوي على سلاسل جزيئية طويلة بشكل رصين ، فإن هذه البوليمرات تطفو ببساطة مثل الصنادل الصغيرة. ولكن مثل يزداد معدل التدفق ، وتبدأ الجزيئات في الدوران والتعثر. تدفع الحركة الجزيئية السائل وتولد ظاهرة تسمى الاضطراب المرن ، والتي لا يزال العلماء لا يفهمونها تمامًا.
لاستكشاف الدور المحتمل للاضطراب المرن ، مزج المجربون في كامبريدج جزيئات الفلورسنت الساطعة في سوائلهم لتتبع الحركة ورأوا أن السوائل أصبحت مضطربة في المسافات بين التقاطعات في تركيبها. قال داتا إنه لأول مرة ، تمكن الباحثون من ربط الاضطراب المرن بالزيادة غير المتوقعة في اللزوجة للسوائل في المناظر الطبيعية المسامية.
في مختبر داتا ، يتحرك السائل اللزج المرن عبر وسط مسامي. عندما يكون معدل التدفق منخفضًا (يسارًا) ، يتدفق السائل بسلاسة. ولكن عند معدل تدفق أعلى (يمينًا) ، تتسبب البوليمرات في السائل في أن يصبح التدفق فوضوياً ، مع دوامات دوامة تتشكل وتنمو وتختفي.
بإذن من مختبر داتا
كان السؤال هو ما إذا كان شيء مشابه سيصمد في ثلاثة أبعاد. في مختبره ، يحقق داتا في مثل هذه الأسئلة باستخدام حبات زجاجية تحاكي التربة أو الرواسب الشفافة. “هناك هذا الاقتباس من الفيلسوف الأمريكي العظيم ولاعب البيسبول ، يوغي بيرا:” يمكنك أن تلاحظ الكثير بمجرد المشاهدة “، قال. “أعتقد أن هذا هو برنامجي البحثي بالكامل باختصار.”
قدم داتا وشريكه المحقق كريستوفر براون الجسيمات الدقيقة الفلورية الخاصة بهم في السوائل المحتوية على البوليمر ، ثم قاموا بتصوير حركة السوائل المعقدة من خلال إعدادها. مع زيادة معدل التدفق ، بدأ السائل في الانقلاب والعودة مرة أخرى على نفسه ، أولاً في مسام أو اثنتين ، ثم في عدة ثقوب أخرى ، وفي النهاية في جميع المسام. عرف الباحثون أن هذا يجب أن يكون اضطرابًا مرنًا لأن تأثير القصور الذاتي في هذه المواد كان منخفضًا للغاية ، على الأقل مليون مرة أقل من العتبة النموذجية لظهور الاضطراب بالقصور الذاتي. ظهرت النتائج التي توصلوا إليها في 5 نوفمبر في Science Advances.
Datta هو الأكثر إثارة حول احتمال تسخير الاضطرابات المرنة لتنظيف المياه الجوفية القذرة. حاول الباحثون إزالة المياه الجوفية الملوثة عن طريق ضخ سائل يحتوي على البوليمر فيها ، والذي يجب أن يجبر المياه عبر الصخور الجوفية التي تحبس الملوثات. قال داتا إن العمل الجديد يمكن أن يساعد الباحثين في صياغة السوائل لإنجاز مثل هذه المهمة بشكل أفضل.
يأمل داتا وبراون الآن في الانتقال إلى الأسئلة التي ظهرت من عملهما. قال داتا إنه قد يُفترض أن أصغر المسام في الوسط هي تلك التي تصبح مضطربة في البداية ، ولكن لا يبدو أن هناك علاقة واضحة بين حجم المسام وظهور الاضطرابات المرنة. إن تحديد العوامل الأكثر صلة ، مثل شكل المسام أو الهندسة الشاملة ، هو هدفه التالي.
قال: “إذا استطعنا معرفة متى سيصبح مسام معين غير مستقر عند معدل تدفق معين للتنبؤ بسلوك التدفق الكلي ، أعتقد أن ذلك سيكون أمرًا لا يصدق”.
