Un’iniezione di caos risolve un mistero fluido vecchio di decenni

I fluidi possono esserlo grosso modo divisi in due categorie: quelli normali e quelli strani. Quelli normali, come l’acqua e l’alcol, agiscono più o meno come previsto quando vengono pompati attraverso i tubi o mescolati con un cucchiaio. In agguato tra quelli strani, che includono sostanze come vernice, miele, muco, sangue, ketchup e oobleck, ci sono una vasta gamma di enigmi comportamentali che hanno sconcertato i ricercatori nel corso dei secoli.

Uno di questi enigmi di vecchia data, articolato per la prima volta quasi 55 anni fa, sorge quando alcuni liquidi fluiscono attraverso crepe e buchi in un paesaggio poroso come il terreno spugnoso. All’inizio il liquido scorrerà normalmente. Ma quando la sua portata aumenta, supererà una soglia critica in cui sembrerà improvvisamente fondersi: la sua viscosità sale come un martini che si trasforma in melassa.

UN nuovo studio appunta l’effetto su minuscole molecole sospese nel fluido che vorticano e si allungano mentre la portata aumenta. Ad un certo punto, il movimento molecolare fa sì che il flusso del fluido diventi caotico, in aumento e increspatura in vortici contorti che tornano su se stessi. L’inizio del caos è ciò che impedisce il movimento del fluido. La scoperta potrebbe avere applicazioni che vanno dalla stampa 3D alla bonifica delle acque sotterranee e al recupero del petrolio.

“Questo è un bellissimo manoscritto”, ha detto Paolo Arrati, che studia fluidi complessi all’Università della Pennsylvania e non è stato coinvolto nel lavoro.

Negli anni ’60, il reologo Arthur Metzner e il suo studente universitario Ronald Marshall stavano lavorando nei giacimenti petroliferi, dove spesso gli ingegneri iniettavano nel terreno acqua mescolata con i cosiddetti fluidi spintori per spostare il petrolio e aiutare a estrarre ogni goccia di greggio. Gli scienziati hanno notato che quando il fluido di spinta, che contiene polimeri a catena lunga, è stato pompato nel terreno al di sopra di una certa velocità, sembrava diventare inaspettatamente molto più viscoso o appiccicoso, un effetto che in seguito si è riscontrato in molti sistemi simili.

“La viscosità è una delle cose più importanti che vuoi essere in grado di prevedere, controllare e caratterizzare”, ha affermato Sujit Dutta, un ingegnere chimico dell’Università di Princeton che si è imbattuto nel documento di Metzner e Marshall del 1967 sull’argomento mentre era uno studente laureato. “Ero tipo, ‘È imbarazzante che anche dopo decenni di ricerche approfondite non abbiamo ancora idea del perché la viscosità sia quella che è e come spiegare l’aumento.'”

I fluidi pusher e altri fluidi viscoelastici, come sono noti, possono contenere molecole lunghe e complesse. In un primo momento, gli scienziati hanno pensato che forse queste molecole si stessero accumulando nei pori del terreno, imbrattandole come capelli nello scarico. Ma presto si resero conto che non si trattava di semplici zoccoli. Non appena la portata è scesa al di sotto di una soglia critica, l’ostruzione sembrava scomparire completamente.

Una svolta è arrivata nel 2015 quando un gruppo dello Schlumberger Gould Research Center di Cambridge, in Inghilterra, ha semplificato il problema. I ricercatori hanno costruito un analogo bidimensionale del suolo sabbioso, con canali di dimensioni submillimetriche che conducono a una serie labirintica di pezzi a forma di croce. Hanno quindi pompato fluidi contenenti diverse concentrazioni di molecole attraverso il sistema. Il team ha notato che al di sopra di una certa portata, il movimento del fluido diventava disordinato e disordinato negli spazi tra le croci, rallentando notevolmente il movimento generale del liquido.

In teoria, una cosa del genere dovrebbe essere quasi impossibile. I fluidi regolari sono fortemente influenzati dall’inerzia, dalla loro tendenza a continuare a fluire. L’acqua, ad esempio, ha molta inerzia. Man mano che l’acqua si muove sempre più velocemente, i piccoli flussi all’interno del flusso inizieranno a superare le altre sezioni del fluido, portando a vortici caotici.

Un fluido complesso come il miele, al contrario, ha pochissima inerzia. Smetterà di scorrere nel momento in cui smetterai di mescolarlo. Per questo motivo, ha difficoltà a generare “turbolenza inerziale”, il tipo ordinario di turbolenza che si verifica in un flusso impetuoso o sotto le ali di un aeroplano.

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