54年前からの流体についての謎を解明した人工岩石:ポリマー溶液

54年前からの流体についての謎を解明した人工岩石:ポリマー溶液 化学
ポリマーの流れを観察するためのシースルー媒体を開発しました。©David Kelly Crow

プリンストン大学の研究者らは、土壌や堆積岩などの多孔質物質を流れる流体が圧力によって不思議な速度で減速する理由について、54年前からの謎を解明しました。

今回の発見は、石油回収から地下水の浄化まで、エネルギー、環境、産業の各分野における多くの重要なプロセスの改善に役立つ可能性があります。

対象となる流体は「ポリマー溶液(高分子溶液)」と呼ばれます。

化粧品のクリームや私たちの鼻の粘液など、日常的に使われているこれらの溶液には、ポリマーが溶解しています。

一般的に、ポリマー溶液は圧力をかけると粘性が下がり、速く流れるようになります。

しかし、小さな穴や溝がたくさんある素材を通過するときには、溶液の粘性が高くなり、流れが悪くなる傾向があります。

プリンストン大学の研究者たちは、この問題の根本を解明するために、小さなガラスビーズでできた透明な多孔質媒体、つまり透明な人工岩石を使った画期的な実験を考案しました。

この透明な媒体を使って、ポリマー溶液の動きを可視化したのです。

実験の結果、多孔質媒体で粘度が上昇するのは、ポリマー溶液の流れが飛行機の乱気流のように混沌とした状態になり、ポリマー溶液自体が渦を巻いていて妨害しているからであることがわかりました。

プリンストン大学の化学・生物工学助教授で、本研究の上席著者であるSujit Datta氏は、「驚くべきことに、これまで多孔質媒体中を流れるポリマー溶液の粘度を予測することはできませんでした。しかし、今回の論文では、これらの予測が可能であることがようやく示されたので、半世紀以上も研究者たちが手をこまねいていた問題に答えを出すことができました。」と述べています。

Datta氏の研究室の博士課程学生で、論文の筆頭著者であるChristopher Browne氏は、「この研究によって、ポリマー溶液が地下やその他の不透明な多孔質媒体に送り込まれたときに、何が起こっているのかを正確に見ることができるようになりました。」と述べています。

Browne氏は、実験の運営と実験装置の製作を担当しました。

この実験装置は、小さな長方形の部屋に小さなホウケイ酸ガラスビーズをランダムに詰めたものです。

これは、人工的な堆積岩のようなもので、小指の半分ほどの長さしかありません。

この人工岩石の中に、Browne氏は、ビーズの周りを流れる溶液の様子を確認するために、蛍光ラテックス粒子を混入した一般的なポリマー溶液を注入しました。

また、ポリマー溶液の屈折率がビーズによる光の歪みを打ち消し、溶液が飽和したときに全体が透明になるように処方しました。

Datta氏の研究室では、この技術を使って、農業の干ばつ対策を研究するためのシースルーの土壌を作るなど、革新的な研究を行っています。

次にBrowne氏は、ビーズの間にある100マイクロメートル(100万分の1メートル)単位の孔(穴)を顕微鏡で拡大し、それぞれの孔を通る流体の流れを調べました。

ポリマー溶液が多孔質体を通過すると、流体の流れは混沌としたものになり、流体がポリマー溶液自身に衝突して乱流を発生させました。

通常、このような速度で、このような狭い孔の中を流れる流体は乱流ではなく、「層流」と呼ばれ、滑らかで安定した動きをします。

しかし、ポリマーが細孔内を移動する際には、ポリマーが引き伸ばされて力が生じ、それが蓄積されて、異なる細孔で乱流が発生しました。

この効果は、溶液をより高い圧力で押し出すと、より顕著になりました。

「不安定なパッチ状の領域をすべて見て記録することができ、これらの領域が媒体中の溶液の輸送に大きな影響を与えているのです。」とBrowne氏は語ります。

プリンストン大学の研究者たちは、この実験で得られたデータをもとに、実際の環境下でのポリマー溶液の挙動を予測する方法を確立しました。

マサチューセッツ工科大学の機械工学教授で、今回の研究には参加していないGareth McKinley氏は、この研究の意義について次のように述べています。

研究室でのSujit Datta氏とChristopher Browne氏。

研究室でのSujit Datta氏とChristopher Browne氏。©David Kelly Crow

「この研究は、多孔質媒体の圧力損失が巨視的に大きく増加するのは、多孔質媒体の細孔スケールで発生する粘弾性流動の不安定性が微視的な物理的起源であることを明確に示しています。

粘性は流体の最も基本的な記述子の1つであることを考えると、今回の発見は、ポリマー溶液の流れやカオス的な流れ全般の理解を深めるだけでなく、大規模な分野での応用に役立つ定量的な指針となります。

「今回得られた新たな知見は、様々な場面で実務者が、適切なポリマー溶液をどのように調合し、目の前の課題を遂行するのに必要な適切な圧力を使用するかを判断するのに役立つでしょう。特に、地下水の浄化に応用できるのではないかと期待しています。」とDatta氏は述べています。

ポリマー溶液はもともと粘り気があるため、環境エンジニアは、化学工場や工業プラントの廃墟などの高濃度汚染現場で、この溶液を地中に注入します。

この粘性のある溶液は、汚染された土壌から微量の汚染物質を押し出すのに役立ちます。

また、ポリマー溶液は、地下の岩石の孔から油を押し出すことで、石油の回収にも役立ちます。

これは、工業用化学物質や金属で汚染された地下水を地上の処理場に運んで浄化する一般的な方法です。

「このように、ポリマー溶液は、分離や製造プロセスなど、さまざまな用途に応用されており、今回の発見はその恩恵を受けています」とDatta氏は語ります。

多孔質媒体中のポリマー溶液の流速に関する今回の発見は、さまざまな分野の研究者のアイデアを結集したもので、当初は長い間悩まされていた複雑な問題を解き明かすことができました。

「この研究は、高分子物理学、乱流の研究と、地下の岩石中や帯水層を流れる流体の流れを追う地球科学とを結びつけるものです。このような異なる分野の接点に身を置くことは、とても楽しいことです。」

Published by Princeton University. Christopher A. Browne et al, Elastic turbulence generates anomalous flow resistance in porous media, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abj2619.