Una ‘roca’ porosa artificial ayuda a descifrar un misterio de hace medio siglo

Las soluciones poliméricas, entre las que figuran por ejemplo las cremas cosméticas y la mucosidad de nuestra nariz, contienen polímeros disueltos, es decir, materiales formados por grandes moléculas con muchas subunidades repetidas. Normalmente, cuando se someten a presión, se vuelven menos viscosas y fluyen más rápidamente.

Pero cuando pasan por materiales porosos, como las rocas sedimentarias donde hay muchos agujeros y canales minúsculos, estas soluciones se vuelven más viscosas y pegajosas, y se ralentizan, un fenómeno que describieron en 1967 investigadores estadounidenses.

La impredecible resistencia del flujo de soluciones poliméricas en medios porosos, algo fundamental en muchos procesos industriales y energéticos, ha sido un rompecabezas para la ciencia desde los años 60

Sin embargo, el flujo de soluciones poliméricas en medios porosos, es fundamental para muchos procesos industriales y energéticos, donde se trata de funcionar, mediante ensayo y error, frente a la impredecible resistencia que experimentan estos fluidos.

La explicación de este fenómeno ha sido un rompecabezas para la ciencia durante más de 50 años, pero ahora investigadores de la Universidad de Princeton (EE UU) han resuelto el misterio mediante la combinación de novedosas técnicas de fabricación de un material poroso artificial, obtención de imágenes y análisis. Los resultados se publican en Science Advances.

"En este trabajo demostramos por primera vez que esta resistencia anómala está causada directamente por una inestabilidad del flujo, denominada turbulencia elástica, en la que el flujo se vuelve caótico, similar a una típica turbulencia (como las del aire al viajar en avión), pero en este caso impulsada por la elasticidad del polímero", explica a SINC Christopher Browne, el autor principal.

Roca transparente y solución fluorescente

Para llegar a la raíz del problema, el equipo utilizó un medio poroso transparente hecho de diminutas perlas de vidrio de borosilicato: una pequeña roca artificial traslucida que permitió a visualizar el movimiento de la solución polimérica, a la que se añadió micropartículas de látex fluorescentes para facilitar la tarea.

El experimento reveló que el prolongado aumento de la viscosidad en los medios porosos se debe a que el flujo se vuelve caótico, turbulento, arremolinándose sobre sí mismo y produciendo atascos.

Demostramos que esta resistencia anómala está causada por una turbulencia elástica en la que flujo se vuelve caótico, como en las turbulencias del aire, pero en este caso impulsada por la elasticidad del polímero

"La mayoría de los fluidos producen un flujo laminar constante en medios porosos, pero la adición de una concentración diluida de polímeros produce este flujo inestable y caótico, generando un exceso de resistencia que dificulta el flujo del líquido", explica Browne, quien subraya: "Por fin hemos conseguido ver exactamente lo que ocurre bajo tierra o dentro de otros medios opacos y porosos cuando se bombean soluciones de polímeros". 

"Sorprendentemente, hasta ahora no se había podido predecir la viscosidad de las soluciones poliméricas que fluyen en medios porosos, pero demostramos que puede hacerse", afirma otro de los autores, Sujit Datta, "y esto podrá ayudar a los profesionales de diversos ámbitos a determinar cómo formular la solución polimérica adecuada y utilizar las presiones correctas necesarias para llevar a cabo determinadas tareas".

Los investigadores utilizaron los datos recogidos en el experimento para formular una forma de predecir el comportamiento de las soluciones poliméricas que se podría aplicar en situaciones reales en ámbitos como la industria, la energía y el medio ambiente.

Estamos especialmente entusiasmados con la aplicación de estos hallazgos en la limpieza y descontaminación de aguas subterráneas 

Como las soluciones poliméricas son intrínsecamente viscosas, los ingenieros medioambientales las inyectan en suelos muy contaminados, como los de fábricas químicas y plantas industriales abandonadas, para facilitar así la expulsión de los contaminantes.

De forma parecida también se puede recuperar petróleo desde los poros de las rocas subterráneas, "y estamos especialmente entusiasmados con la aplicación de los hallazgos en la limpieza de aguas subterráneas (facilitando su bombeo y tratamiento en superficie)", apunta Datta.

"Este trabajo establece conexiones entre los estudios de física de los polímeros, la turbulencia y la geociencia, siguiendo el flujo de los fluidos en las rocas del subsuelo, así como a través de los acuíferos", concluye el investigador.

Referencia:

Sujit S. Datta, Christopher A. Browne et al. "Elastic turbulence generates anomalous flow resistance in porous media". Science Advances, 2021.