Os pesquisadores de Princeton resolveram um quebra-cabea§a de 54 anos sobre por que certos fluidos tornam-se estranhamente lentos sob pressão quando fluem atravanãs 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 petra³leo atéa remediação de a¡guas subterra¢neas.

Os fluidos em questãosão chamados de soluções de pola­mero . Essas soluções - exemplos dia¡rios dos quais incluem cremes cosmanãticos e o muco em nossos narizes - contem polímeros dissolvidos ou materiais feitos de grandes moléculas com muitas subunidades repetidas. Normalmente, quando são colocadas sob pressão, as soluções de pola­mero se tornam menos viscosas e fluem mais rápido. Mas ao passar por materiais com muitos orifa­cios e canais minaºsculos, as soluções tendem a se tornar mais viscosas e grudentas, reduzindo suas taxas de fluxo.

Para chegar a  raiz do problema, os pesquisadores de Princeton desenvolveram um experimento inovador usando um meio poroso transparente feito de minaºsculas contas de vidro - uma rocha artificial transparente. Este meio laºcido permitiu aos pesquisadores visualizar o movimento de uma solução de pola­mero. O experimento revelou que o longo e desconcertante aumento da viscosidade em meios porosos acontece porque o fluxo da solução de pola­mero se torna caa³tico, muito parecido com o ar turbulento em uma viagem de avia£o, girando em si mesmo e obstruindo o trabalho.

"Surpreendentemente, atéagora, não foi possí­vel prever a viscosidade das soluções de pola­mero fluindo em meios porosos", disse Sujit Datta, professor assistente de engenharia química e biológica em Princeton e autor saªnior do estudo publicado em 5 de novembro no revista Science Advances . "Mas neste artigo, agora finalmente mostramos que essas previsaµes 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 estãoacontecendo no subsolo ou dentro de outros meios opacos e porosos quando as soluções de pola­mero estãosendo 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 ca¢mara retangular embalada aleatoriamente com minaºsculas contas de vidro de borosilicato. A configuração, semelhante a uma rocha sedimentar artificial, mede apenas cerca de metade do comprimento de um dedo ma­nimo. Nesta rocha falsa, Browne bombeou uma solução de pola­mero comum misturada com microparta­culas de la¡tex fluorescentes para ajudar a ver o fluxo da solução em torno das contas. Os pesquisadores formularam a solução de pola­mero de forma que o a­ndice de refração do material compensasse a distorção da luz dos gra¢nulos 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 agra­colas, entre outras investigações .

Browne então ampliou com um microsca³pio os poros, ou orifa­cios entre as contas, que ocorrem na escala de 100 micra´metros (milionanãsimos de metro) de tamanho, ou semelhante a  largura de um cabelo humano, a fim de examinar o fluido fluxo atravanãs de cada poro. Amedida que a solução de pola­mero percorria o meio poroso, o fluxo do fluido tornava-se caa³tico, com o fluido voltando para dentro de si mesmo e gerando turbulaªncia. O que ésurpreendente éque, 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. Amedida 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 pressaµes mais altas.

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

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

Gareth McKinley, professor de engenharia meca¢nica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts que não esteve envolvido no estudo, fez comenta¡rios sobre sua importa¢ncia.

"Este estudo mostra definitivamente que o grande aumento na queda de pressão observa¡vel macroscopicamente em um meio poroso tem suas origens físicas microsca³picas nas instabilidades de fluxo viscoela¡stico que ocorrem na escala dos poros do meio poroso", disse McKinley.

Dado que a viscosidade éum dos descritores mais fundamentais de fluxo de fluido, as descobertas não apenas ajudam a aprofundar a compreensão dos fluxos de solução de pola­mero e fluxos caa³ticos 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 pola­mero certa e usar as pressaµes certas para realizar a tarefa em ma£os", disse Datta. "Estamos particularmente entusiasmados com a aplicação das descobertas na remediação de a¡guas subterra¢neas."

Como as soluções de pola­mero são inerentemente pegajosas, os engenheiros ambientais injetam as soluções no solo em locais altamente contaminados, como fa¡bricas de produtos químicos e plantas industriais abandonadas. As soluções viscosas ajudam a eliminar vesta­gios de contaminantes dos solos afetados. Soluções de pola­mero também auxiliam na recuperação de a³leo, empurrando o a³leo para fora dos poros das rochas subterra¢neas. No lado da remediação, as soluções de pola­mero permitem "bombear e tratar", um manãtodo comum para limpar a¡guas subterra¢neas polua­das com produtos químicos industriais e metais que envolve levar a águapara uma estação de tratamento desuperfÍcie. "Todas essas aplicações de soluções de pola­mero 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 pola­mero em meios porosos reuniram ideias de vários campos da investigação cienta­fica, finalmente desemaranhando o que havia comea§ado como um problema complexo e frustrante.

“Este trabalho traz conexões entre estudos de física de polímeros, turbulaªncia e geociaªncia, acompanhando o fluxo de fluidos em rochas subterra¢neas e também atravanãs de aqa¼a­feros”, disse Datta. "a‰ muito divertido sentar na interface entre todas essas diferentes disciplinas."