Des chercheurs de Princeton ont mis au point une technique pour mieux comprendre comment les polymères s’écoulent dans de petits canaux sous pression. Crédit : David Kelly Crow
Des chercheurs de Princeton ont résolu une énigme vieille de 54 ans sur les raisons pour lesquelles certains fluides ralentissent étrangement sous pression lorsqu’ils traversent des matériaux poreux, tels que des sols et des roches sédimentaires. Les résultats pourraient aider à améliorer de nombreux processus importants dans les secteurs de l’énergie, de l’environnement et de l’industrie, de la récupération du pétrole à la dépollution des eaux souterraines.
Les fluides en question sont appelés solutions polymères. Ces solutions – dont des exemples quotidiens incluent les crèmes cosmétiques et le mucus dans notre nez – contiennent des polymères dissous ou des matériaux constitués de grosses molécules avec de nombreuses sous-unités répétitives. En règle générale, lorsqu’elles sont mises sous pression, les solutions de polymères deviennent moins visqueuses et s’écoulent plus rapidement. Mais lorsqu’on traverse des matériaux avec de nombreux trous et canaux minuscules, les solutions ont tendance à devenir plus visqueuses et crasseuses, ce qui réduit leurs débits.
Pour s’attaquer à la racine du problème, les chercheurs de Princeton ont conçu une expérience innovante utilisant un milieu poreux transparent composé de minuscules billes de verre – une roche artificielle transparente. Ce milieu lucide a permis aux chercheurs de visualiser le mouvement d’une solution de polymère. L’expérience a révélé que l’augmentation longue et déconcertante de la viscosité dans les milieux poreux se produit parce que le flux de la solution de polymère devient chaotique, un peu comme l’air turbulent d’un vol en avion, tourbillonnant sur lui-même et gommant les œuvres.
Des chercheurs de Princeton ont mis au point une technique pour mieux comprendre comment les polymères s’écoulent dans de petits canaux sous pression. Crédit : David Kelly Crow
“Étonnamment, jusqu’à présent, il n’a pas été possible de prédire la viscosité des solutions de polymère s’écoulant dans des milieux poreux”, a déclaré Sujit Datta, professeur adjoint de génie chimique et biologique à Princeton et auteur principal de l’étude publiée aujourd’hui (5 novembre, 2021) dans la revue Avancées scientifiques. “Mais dans cet article, nous avons enfin montré que ces prédictions peuvent être faites, nous avons donc trouvé une réponse à un problème qui a échappé aux chercheurs pendant plus d’un demi-siècle.”
“Avec cette étude, nous avons enfin permis de voir exactement ce qui se passe sous terre ou dans d’autres milieux opaques et poreux lorsque des solutions de polymères sont pompées”, a déclaré Christopher Browne, Ph.D. étudiant dans le laboratoire de Datta et auteur principal de l’article.
Browne a mené les expériences et construit l’appareil expérimental, une petite chambre rectangulaire remplie au hasard de minuscules billes de verre borosilicaté. L’installation, semblable à une roche sédimentaire artificielle, ne couvrait que la moitié de la longueur d’un petit doigt. Dans cette fausse pierre, Browne a pompé une solution de polymère commune mélangée à des microparticules de latex fluorescentes pour aider à voir l’écoulement de la solution autour des billes. Les chercheurs ont formulé la solution de polymère de manière à ce que l’indice de réfraction du matériau compense la distorsion lumineuse des billes et rende l’ensemble transparent lorsqu’il est saturé. Le laboratoire de Datta a utilisé de manière innovante cette technique pour créer un sol transparent pour étudier les moyens de contrer les sécheresses agricoles, entre autres enquêtes.
Browne a ensuite zoomé avec un microscope sur les pores, ou les trous entre les billes, qui se produisent à l’échelle de 100 micromètres (millionièmes de mètre), ou similaire à la largeur d’un cheveu humain, afin d’examiner le fluide couler à travers chaque pore. Au fur et à mesure que la solution de polymère se frayait un chemin à travers le milieu poreux, l’écoulement du fluide est devenu chaotique, le fluide s’écrasant sur lui-même et générant des turbulences. Ce qui est surprenant, c’est que, typiquement, les écoulements de fluide à ces vitesses et dans des pores aussi serrés ne sont pas turbulents, mais « laminaires » : le fluide se déplace en douceur et régulièrement. Cependant, au fur et à mesure que les polymères naviguaient dans l’espace poreux, ils s’étiraient, générant des forces qui s’accumulaient et généraient un écoulement turbulent dans différents pores. Cet effet est devenu plus prononcé lors de la poussée de la solution à des pressions plus élevées.
“J’ai pu voir et enregistrer toutes ces régions inégales d’instabilité, et ces régions ont vraiment un impact sur le transport de la solution à travers le support”, a déclaré Browne.
Les chercheurs de Princeton ont utilisé les données recueillies lors de l’expérience pour formuler un moyen de prédire le comportement des solutions polymères dans des situations réelles.
Gareth McKinley, professeur de génie mécanique au Massachusetts Institute of Technology qui n’a pas participé à l’étude, a commenté son importance.
“Cette étude montre définitivement que la forte augmentation de la chute de pression macroscopiquement observable à travers un milieu poreux a ses origines physiques microscopiques dans les instabilités d’écoulement viscoélastiques qui se produisent à l’échelle des pores du milieu poreux”, a déclaré McKinley.
Étant donné que la viscosité est l’un des descripteurs les plus fondamentaux de l’écoulement des fluides, les résultats aident non seulement à approfondir la compréhension des écoulements de solution de polymère et des écoulements chaotiques en général, mais fournissent également des directives quantitatives pour informer leurs applications à grande échelle sur le terrain.
« Les nouvelles informations que nous avons générées pourraient aider les praticiens dans divers contextes à déterminer comment formuler la bonne solution de polymère et utiliser les bonnes pressions nécessaires pour effectuer la tâche à accomplir », a déclaré Datta. « Nous sommes particulièrement enthousiasmés par l’application des résultats à l’assainissement des eaux souterraines. »
Parce que les solutions polymères sont intrinsèquement gluantes, les ingénieurs environnementaux injectent les solutions dans le sol sur des sites hautement contaminés tels que des usines chimiques et des usines industrielles abandonnées. Les solutions visqueuses aident à éliminer les traces de contaminants des sols affectés. Les solutions polymères aident également à la récupération du pétrole en poussant le pétrole hors des pores des roches souterraines. Du côté de l’assainissement, les solutions polymères permettent de « pomper et traiter », une méthode courante de nettoyage des eaux souterraines polluées par des produits chimiques industriels et des métaux qui consiste à amener l’eau vers une station de traitement de surface. « Toutes ces applications de solutions polymères, et plus encore, telles que les séparations et les processus de fabrication, devraient bénéficier de nos découvertes », a déclaré Datta.
Dans l’ensemble, les nouvelles découvertes sur les débits de solution de polymère dans les milieux poreux ont rassemblé des idées de plusieurs domaines de la recherche scientifique, démêlant finalement ce qui avait commencé comme un problème complexe et frustrant depuis longtemps.
“Ce travail établit des liens entre les études sur la physique des polymères, la turbulence et les géosciences, en suivant l’écoulement des fluides dans les roches souterraines ainsi que dans les aquifères”, a déclaré Datta. « C’est très amusant d’être à l’interface entre toutes ces différentes disciplines.
Référence : « La turbulence élastique génère une résistance à l’écoulement anomale en milieu poreux » 5 novembre 2021, Avancées scientifiques.
Le travail a été soutenu en partie par l’American Chemical Society, la National Science Foundation et le High Meadows Environmental Institute.
