لماذا يمر الماء عبر الصابون؟ اكتشاف فيزيائي قد يغير صناعة النفط

هل سبق أن حاولت إضافة القليل من الماء إلى عبوة الصابون السائل الفارغة؟ في الغالب ستلاحظ أن الماء لا يمتزج بالصابون بسهولة، بل يشق طريقه خلاله في مسار ضيق ويخرج سريعا، تاركا جزءا كبيرا من الصابون عالقا داخل العبوة.

هذه الظاهرة اليومية البسيطة التي تحدث بسبب تشكل ما يعرف علميا بـ" الأصابع اللزجة"، كانت نقطة الانطلاق لدراسة جديدة أجراها علماء الفيزياء من جامعة شيكاغو الأمريكية، كشفت طريقة مبتكرة للتحكم في هذه الظاهرة، التي تؤثر في العديد من العمليات الصناعية والبيئية، من استخراج النفط إلى تخزين ثاني أكسيد الكربون تحت الأرض.

وتحدث" الأصابع اللزجة" عندما يدفع سائل منخفض اللزوجة، مثل الماء، سائلا أكثر كثافة ولزوجة، مثل الصابون أو النفط، داخل مساحة ضيقة، وبدلا من التحرك بشكل متجانس، يبحث السائل الأخف عن أسهل طريق للمرور، مكونا قنوات متفرعة تشبه أصابع اليد أو فروع الأشجار.

ويشير الباحثون في بيان نشره موقع جامعة شيكاغو إلى أن هذه الظاهرة تُعد من أشهر أمثلة تكوين الأنماط الطبيعية، إذ تشبه في مظهرها تشعب الأنهار إلى روافد أصغر، لكنها تمثل مشكلة حقيقية في التطبيقات الصناعية، فعلى سبيل المثال تستخدم شركات النفط غاز ثاني أكسيد الكربون لدفع النفط نحو آبار الإنتاج، إلا أن تشكل هذه" الأصابع" يسمح للغاز باختراق النفط والوصول مباشرة إلى الآبار، تاركا كميات كبيرة من النفط عالقة في باطن الأرض.

وفي الدراسة الجديدة، التي نُشرت في دورية" ساينس أدفانسيس" (Science Advances)، اكتشف فريق الباحثين بقيادة الفيزيائي بجامعة شيكاغو سيدني ناغل أن تغيير شكل الحد الفاصل بين السائلين يمكن أن يؤخر ظهور هذه التفرعات ويبطئ نموها بشكل ملحوظ.

ولتحقيق ذلك، استخدم سيدني ورفاقه جهازا مكونا من لوحين متوازيين يفصل بينهما فراغ رقيق جدا، ثم حقنوا سائلا منخفض اللزوجة داخل سائل أكثر لزوجة، وبعد ذلك قاموا بتحريك أحد اللوحين جانبيا، وهي عملية تُعرف باسم" القص"، ما أدى إلى تغيير شكل الواجهة الفاصلة بين السائلين وجعلها أكثر انسيابية.

وأظهرت النتائج أن زيادة سرعة وحجم حركة اللوح تؤخر تشكل" الأصابع اللزجة" وتحد من نموها، ما يشير إلى وجود علاقة مباشرة بين شكل الواجهة واستقرار حركة السوائل.

تحسين كفاءة استخراج النفطويرى الباحثون أن هذا الاكتشاف قد يسهم مستقبلا في تحسين كفاءة استخراج النفط، وتعزيز تقنيات احتجاز ثاني أكسيد الكربون في الطبقات الجوفية العميقة للحد من آثار تغير المناخ، إضافة إلى تحسين العديد من العمليات الصناعية التي تعتمد على تدفق السوائل داخل المساحات الضيقة.

وقال سيدني إن الدراسة تقدم وسيلة جديدة للتحكم في هذه الظاهرة وتأخير ظهورها، مشيرا إلى أن الطريق لا يزال طويلا قبل تطبيق النتائج عمليا على نطاق واسع، لكنها تمثل خطوة أولى مهمة نحو فهم أفضل لسلوك السوائل وتحسين كفاءة العديد من التقنيات المستخدمة حاليا.