حينتحاولإخراجقليلمنالكاتشبمنزجاجةذاتفوهةواسعة،قدتُلاحظأنسلوكتدفقالكاتشبغريب؛إذلاينسكبالكاتشببانتظاممنزجاجته،وعوضًاعنذلكيخرجفيمايُشبهالكُتل،وينسكبجزءكبيرمنهعلىغيرإرادتك。
تُعرفالظاهرةبـ”ترققالقص”،وهومصطلحيصفسلوكالسوائلغيرالنيوتونية،وهيالسوائلالتيلاتتبعقانوناللزوجةلنيوتن؛إذتتغيرلزوجتهاوفقًاللقوىالمؤثرةعليها،فمثلًاتقللزوجةالكاتشبعندرجزجاجته،فيحينلاتتأثرلزوجةالماء——كسائلنيوتوني——بأيّقوىفيالظروفالعادية。
ومنضمنالسوائلغيرالنيوتونيةمحاليلالبوليمر،وهيسوائلتحتويعلىبوليمراتمذابة،ويكتنفتلكالمحاليللغزعمره54عامًا؛إذتتباطأبشكلغريبتحتالضغطعندالتدفقعبرموادمساميةمثلالتربةوالصخورالرسوبية،إلاأنباحثيجامعة”برينستون”تمكنوامنحلذلكاللغز،وهوأمرٌسيكونلهبالغالأثرفيتحسينالعديدمنالعملياتالمهمةفيقطاعاتالطاقةوالبيئةوالصناعة،بدايةًمناستخراجالنفطالصخريووصولًاإلىمعالجةالمياهالجوفية。
يشيركريستوفربراو——طنالبالدكتوراةبجامعة”برينستون”،والمؤلفالمشاركفيالدراسةالتينشرتهادورية”ساينسأدفانسز”——إلىأن”تدفقمحاليلالبوليمرفيالوسطالمساميأمرٌبالغالأهميةفيالعديدمنالعملياتالمهمةالمتعلقةبالطاقةوالبيئةوالصناعة،ومعذلكفإنمقدارالمقاومةالواقععلىتلكالمحاليلفيأثناءتدفقهاظلغيرمتوقعًا،ممايُجبرالمهندسينعلىاستخدامطريقةالتجربةوالخطأفيالموقع،مايُعطلالعملفيبعضالأحيان”。
عادةً،عندمايتمتطبيقضغطعلىمحاليلالبوليمر،تصبحأقللزوجةًوتتدفقبشكلأسرع،ولكنعندالمروربموادفيهاالكثيرمنالثقوبوالقنواتالصغيرة،فإنالمحاليلتميلإلىأنتصبحأكثرلزوجة،ممايقللمنمعدلاتتدفقها。
يقول”براون”فيتصريحاتلـ”للعلم”:إنمقاومةالتدفق——بسبباللزوجة——تزدادبشكلغيرطبيعيوتصلفيبعضالأحيانإلىأكثرمن400٪،وظلتفسيرهذهالظاهرةلغزًالأكثرمن50عامًا،لكنمنخلالالجمعبينتقنياتالتصنيعوالتصويروالتحليلالجديدة،أظهرنابشكلمباشرلأولمرةأنمقاومةالتدفقالشاذةهذهناتجةمباشرةًعنعدماستقرارالتدفق(المعروفباسمالاضطرابالمرن)،الذييصبحفيهالتدفقفوضويًّامدفوعًابمرونةالبوليمر。
للوصولإلىجذرالمشكلة،ابتكرباحثوجامعةبرينستونتجربةًمبتكرةًباستخداموسطمساميشفافمصنوعمنخرززجاجيصغيريُشبهصخرةًاصطناعيةًشفافة،سمحهذاالوسطالواضحللباحثينبتصورحركةمحلولالبوليمر،وكشفتالتجربةأنالزيادةالمحيرةلفترةطويلةفياللزوجةفيالوسائطالمساميةتحدثلأنتدفقمحلولالبوليمريصبحفوضويًّا،مثلالهواءالمضطربعلىمتنالطائرة،حيثيدورالسائلحولنفسه،مكونًااضطرابًايُسببزيادةاللزوجة。
بعدذلك،قامالباحثونبتطويرأولنموذجفيزيائيقادرعلىالتنبؤالكميبهذهالزيادةالشاذةفيمقاومةالتدفق،وبالتاليتوفرهذهالأفكارمبادئكميةًللتنبؤوالتحكمفيتدفقمحلولالبوليمرفيالوسائطالمسامية،وهوأمرٌسيكونلهأثرٌكبيرٌفيمجموعةمنالتطبيقاتتشملاستعادةالنفطالصخري،ومعالجةالمياهالجوفية،والطباعةثلاثيةالأبعادوالفصلالكروماتوغرافي(فصلالموادالكيميائيةالمختلفةوتنقيتها)。
بالنظرإلىأناللزوجةمنأكثرالعواملالأساسيةلتدفقالسوائل،فإنالنتائجلاتساعدفقطفيتعميقفهمتدفقاتمحلولالبوليمروالتدفقاتالفوضويةبشكلعام،بلتوفرأيضًاإرشاداتٍكميةًلمجموعةمنالتطبيقاتعلىنطاقاتواسعةفيالعديدمنالمجالات。
فالعديدمنالعملياتالمتعلقةبالبيئةوالطاقةتشملحَقنالماءفيخزانمساميتحتالسطح،إمالاستخراجالمواردأولتنظيفالملوثات،وللتحكمفيالتدفق،غالبًامايضيفالمهندسونكمياتٍمخففةًمنالبوليمرات——وهيجزيئاتشبيهةبسلسلةطويلةلهاوحداتكيميائيةمتكررة——تضفيخصائصلزجةعلىالسائل،لذافإناكتشافسببمقاومةالتدفقفيالمحاليلالبوليميريةيُمكنأنيساعدفيتلكالعمليات。
