Tecnologia Científica

Pedra artificial fraturada ajuda a desvendar um mistério de 54 anos
As descobertas podem ajudar a melhorar muitos processos importantes nos setores de energia, meio ambiente e industrial, desde a recuperação de petróleo até a remediação de águas subterrâneas.
Por Adam Hadhazy - 05/11/2021


Os pesquisadores de Princeton desenvolveram uma técnica para entender melhor como os polímeros fluem através de pequenos canais sob pressão. Crédito: David Kelly Crow

Os pesquisadores de Princeton resolveram um quebra-cabeça de 54 anos sobre por que certos fluidos tornam-se estranhamente lentos sob pressão quando fluem através de materiais porosos, como solos e rochas sedimentares. As descobertas podem ajudar a melhorar muitos processos importantes nos setores de energia, meio ambiente e industrial, desde a recuperação de petróleo até a remediação de águas subterrâneas.

Os fluidos em questão são chamados de soluções de polímero . Essas soluções - exemplos diários dos quais incluem cremes cosméticos e o muco em nossos narizes - contêm polímeros dissolvidos ou materiais feitos de grandes moléculas com muitas subunidades repetidas. Normalmente, quando são colocadas sob pressão, as soluções de polímero se tornam menos viscosas e fluem mais rápido. Mas ao passar por materiais com muitos orifícios e canais minúsculos, as soluções tendem a se tornar mais viscosas e grudentas, reduzindo suas taxas de fluxo.

Para chegar à raiz do problema, os pesquisadores de Princeton desenvolveram um experimento inovador usando um meio poroso transparente feito de minúsculas contas de vidro - uma rocha artificial transparente. Este meio lúcido permitiu aos pesquisadores visualizar o movimento de uma solução de polímero. O experimento revelou que o longo e desconcertante aumento da viscosidade em meios porosos acontece porque o fluxo da solução de polímero se torna caótico, muito parecido com o ar turbulento em uma viagem de avião, girando em si mesmo e obstruindo o trabalho.

"Surpreendentemente, até agora, não foi possível prever a viscosidade das soluções de polímero fluindo em meios porosos", disse Sujit Datta, professor assistente de engenharia química e biológica em Princeton e autor sênior do estudo publicado em 5 de novembro no revista Science Advances . "Mas neste artigo, agora finalmente mostramos que essas previsões podem ser feitas, então encontramos uma resposta para um problema que tem escapado aos pesquisadores por mais de meio século."

"Com este estudo, finalmente tornamos possível ver exatamente o que está acontecendo no subsolo ou dentro de outros meios opacos e porosos quando as soluções de polímero estão sendo bombeadas", disse Christopher Browne, um Ph.D. aluno do laboratório de Datta e autor principal do artigo.

Browne conduziu os experimentos e construiu o aparato experimental, uma pequena câmara retangular embalada aleatoriamente com minúsculas contas de vidro de borosilicato. A configuração, semelhante a uma rocha sedimentar artificial, mede apenas cerca de metade do comprimento de um dedo mínimo. Nesta rocha falsa, Browne bombeou uma solução de polímero comum misturada com micropartículas de látex fluorescentes para ajudar a ver o fluxo da solução em torno das contas. Os pesquisadores formularam a solução de polímero de forma que o índice de refração do material compensasse a distorção da luz dos grânulos e tornasse toda a configuração transparente quando saturada. O laboratório de Datta usou de forma inovadora essa técnica para criar solo transparente para estudar maneiras de conter as secas agrícolas, entre outras investigações .
 
Browne então ampliou com um microscópio os poros, ou orifícios entre as contas, que ocorrem na escala de 100 micrômetros (milionésimos de metro) de tamanho, ou semelhante à largura de um cabelo humano, a fim de examinar o fluido fluxo através de cada poro. À medida que a solução de polímero percorria o meio poroso, o fluxo do fluido tornava-se caótico, com o fluido voltando para dentro de si mesmo e gerando turbulência. O que é surpreendente é que, normalmente, os fluxos de fluido nessas velocidades e em poros tão apertados não são turbulentos, mas "laminares": o fluido se move de maneira suave e constante. À medida que os polímeros navegavam no espaço dos poros, no entanto, eles se alongavam, gerando forças que se acumulavam e geravam um fluxo turbulento em diferentes poros. Esse efeito ficou mais pronunciado ao empurrar a solução com pressões mais altas.

"Pude ver e registrar todas essas regiões irregulares de instabilidade e essas regiões realmente impactam o transporte da solução através do meio", disse Browne.

Os pesquisadores de Princeton desenvolveram uma técnica para entender melhor como os
polímeros fluem através de pequenos canais sob pressão. Crédito: David Kelly Crow

Os pesquisadores de Princeton usaram dados coletados no experimento para formular uma maneira de prever o comportamento de soluções de polímero em situações da vida real.

Gareth McKinley, professor de engenharia mecânica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts que não esteve envolvido no estudo, fez comentários sobre sua importância.

"Este estudo mostra definitivamente que o grande aumento na queda de pressão observável macroscopicamente em um meio poroso tem suas origens físicas microscópicas nas instabilidades de fluxo viscoelástico que ocorrem na escala dos poros do meio poroso", disse McKinley.

Dado que a viscosidade é um dos descritores mais fundamentais de fluxo de fluido, as descobertas não apenas ajudam a aprofundar a compreensão dos fluxos de solução de polímero e fluxos caóticos em geral, mas também fornecem diretrizes quantitativas para informar suas aplicações em larga escala no campo.

"Os novos insights que geramos podem ajudar os profissionais em diversos ambientes a determinar como formular a solução de polímero certa e usar as pressões certas para realizar a tarefa em mãos", disse Datta. "Estamos particularmente entusiasmados com a aplicação das descobertas na remediação de águas subterrâneas."

Como as soluções de polímero são inerentemente pegajosas, os engenheiros ambientais injetam as soluções no solo em locais altamente contaminados, como fábricas de produtos químicos e plantas industriais abandonadas. As soluções viscosas ajudam a eliminar vestígios de contaminantes dos solos afetados. Soluções de polímero também auxiliam na recuperação de óleo, empurrando o óleo para fora dos poros das rochas subterrâneas. No lado da remediação, as soluções de polímero permitem "bombear e tratar", um método comum para limpar águas subterrâneas poluídas com produtos químicos industriais e metais que envolve levar a água para uma estação de tratamento de superfície. "Todas essas aplicações de soluções de polímero e muito mais, como em processos de separação e fabricação, podem se beneficiar de nossas descobertas", disse Datta.

No geral, as novas descobertas sobre as taxas de fluxo de solução de polímero em meios porosos reuniram ideias de vários campos da investigação científica, finalmente desemaranhando o que havia começado como um problema complexo e frustrante.

“Este trabalho traça conexões entre estudos de física de polímeros, turbulência e geociência, acompanhando o fluxo de fluidos em rochas subterrâneas e também através de aqüíferos”, disse Datta. "É muito divertido sentar na interface entre todas essas diferentes disciplinas."

 

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