Turbulencia elástica

Un experimento explica el extraño comportamiento de algunos líquidos al atravesar un medio poroso.

En la mayoría de fluidos, un aumento de la presión produce un incremento súbito de la velocidad, como cuando apretamos un bote de kétchup. Pero al atravesar materiales porosos, como la tierra o las rocas sedimentarias, algunos líquidos experimentan el efecto opuesto: la presión los frena. Determinar la causa de esta ralentización sería útil para actividades como la descontaminación de acuíferos o la extracción de petróleo, donde inyectar un líquido en el suelo obliga a que salga otro. Sin embargo, observar directamente ese movimiento no resulta sencillo.

El ingeniero químico Christopher Browne y el físico Sujit Datta, ambos de la Universidad de Princeton, han logrado solucionar ese problema. Los investigadores modificaron un líquido especial para hacerlo transparente y lo bombearon a través de los poros de una roca artificial, también transparente. Así, documentaron cómo el movimiento del líquido se vuelve caótico, generando remolinos que atascan los poros y frenan el flujo.

Los líquidos de interés, denominados soluciones poliméricas, contienen cadenas de moléculas largas y elásticas habituales en biología, así como en las industrias cosmética y energética. De acuerdo con los análisis teóricos, cuando esas cadenas se estiran a través de un canal casi bidimensional y vuelven a contraerse, generan fuerzas que dan lugar a remolinos. Sin embargo, determinar si esa turbulencia «se produce en rocas porosas, sedimentos y suelos tridimensionales realistas ha suscitado acalorados debates», indica Datta.

A fin de resolver la controversia, los investigadores inyectaron una solución polimérica sintética en una «roca sedimentaria» simulada, construida a partir de una caja llena de minúsculas perlas de vidrio. Además, diluyeron ligeramente la solución polimérica para variar el modo en que se refractaba la luz y conseguir que la «roca» fuera totalmente transparente aun cuando estaba saturada.

Los científicos añadieron partículas fluorescentes a la solución polimérica y siguieron su movimiento a través de los poros mediante un microscopio, registrando las zonas donde se producían remolinos irregulares y estudiando cómo fluía la solución al someterla a distintas presiones. De este modo, confirmaron que la ralentización a escala macroscópica tenía el origen microscópico sospechado: las cadenas de polímero se estiraban y volvían a plegarse al atravesar los poros. Los resultados se han publicado en Science Advances.

«Visualizar el flujo en un medio poroso tridimensional literalmente abre una ventana a un fenómeno que era imposible observar», comenta Paulo Arratia, ingeniero bioquímico de la Universidad de Pensilvania que no participó en el estudio. Como siguiente paso, «sería maravilloso poder ver cómo se estiran y repliegan las moléculas, para conectar el punto de vista molecular y el microscópico».

De cara a las aplicaciones industriales, hay que conocer las presiones concretas que llevan a una solución polimérica a circular con un caudal determinado a través de un material poroso. El estudio proporciona un modelo físico que describe esa relación y permitiría predecir, por ejemplo, la cantidad de contaminante que podría recuperarse de una planta química al inyectar una solución. «Sin predictibilidad», recuerda Datta, «las operaciones de inyección han de realizarse por prueba y error».

Puedes obtener el artículo en...

También te puede interesar

Los boletines de Investigación y Ciencia

Elige qué contenidos quieres recibir.