Ny metode opnår 4D-billeddannelse af væsker i porer
En metode baseret på CT (computertomografi) – en type billeddannelse, der er meget udbredt på hospitaler – kan hjælpe med at forbedre vores forståelse af CO2 opbevaring, batterier og processer i kroppen såsom næringsstofoptagelse.
Hvordan flyder væsker i materialer som sten, jord og knogler? Porerne kan være små og smalle, og væsker kan bevæge sig hurtigt, ofte i små hop, der er overstået inden for millisekunder. Det har ikke tidligere været muligt at lave 3D slowmotion-videoer af dette.
Forskere har nu udviklet en metode baseret på CT (computertomografi) - en type billeddannelse, der er meget brugt på hospitaler. Dette kan hjælpe med at forbedre vores forståelse af CO2 opbevaring, batterier og processer i kroppen såsom næringsstofoptagelse. Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .
Oprettelse af en 3D-film af væskestrømme
Væsker i porøse materialer er overalt, både i naturen og i industrien. I geovidenskab og miljøvidenskab er det vigtigt at forstå, hvordan væsker bevæger sig gennem sten, for ferskvandsforsyning og forureningskontrol. CO2 opbevaring i tidligere Nordsøens olie- og gasreservoirer er en lovende teknologi, der kan reducere udledningen af drivhusgasser, men en udfordring ved indsprøjtning af CO2 ind i grundfjeldet er, at det saltvand, der allerede er der, skal fortrænges.
Porøse materialer absorberer typisk væsker. Befugtningsvæsker spredes jævnt over materialer, hvorimod ikke-vædende væsker danner dråber i minimal kontakt med omgivelserne. Dræning involverer en ikke-vædende væske, typisk luft, der fortrænger en befugtende væske.
Dræning i porøse sten er kompliceret, og væsker flyder ikke jævnt på mikroniveau, men i anfald og starter, svarende til en 'gurgling'-proces. Der bygges tryk op, før porerne pludselig fylder såkaldte Haines-spring.
Disse spring påvirker materialers evne til at transportere væsker. Derfor er dette også vigtigt i forhold til CO2 opbevaring og katalysatorer. Computersoftware er designet til at modellere Haines-spring, men det skal kalibreres med målinger. Haines spring er endnu ikke blevet afbildet i 3D med god nok opløsning til, at de kan studeres i detaljer. Dette skyldes, at de finder sted inde i materialer, over meget korte afstande (nanometer til millimeter) og over meget korte tidsrum (millisekunder).
Kim Robert Tekseth er ph.d.-studerende ved NTNU. Han studerer, hvordan røntgenmikroskopi kan bruges til at studere væsker i porøse materialer. Forskere over hele verden har konkurreret om at lave en slowmotion 3D-video af væsker i sten. Den tidligere 'verdensrekord' var cirka et sekund pr. tidstrin. Et forskerhold har slået denne rekord. De kan nu foretage disse målinger omkring 1.000 gange hurtigere. Ved 0,5 millisekunder pr. trin kan væskeflow studeres i detaljer i 3D.
Genovervejelse af hele processen
Ved at bruge almindelig CT skal prøven roteres 180° for at skabe hvert 3D-billede. Dette begrænser billedfrekvensen, hvilket betyder, at de var nødt til at genoverveje hele processen. Løsningen var at gøre strømmen gennem det porøse materiale gentagelig. Forskerne lavede en lille prøve af sintret glas. Vand og luft kan gentagne gange drives frem og tilbage inde i glasset, mens der tages hundredtusindvis af røntgenbilleder fra forskellige vinkler. Metoden kan illustreres ved at sammenligne den med højdespring i atletik.
Forestil dig, at du skal lave en 3D-film af et professionelt højdespring. Flere kameraer kan bruges på samme tid fra forskellige vinkler (men det er svært at gøre med røntgenstråler). Nøglen er, at hvert hop fortsætter med næsten identisk teknik hver gang. Dette giver dig mulighed for at optage en række hop fra forskellige vinkler, og disse optagelser kan derefter kompileres til en enkelt 3D-film. Dette kaldes også 4D-CT (3D + tid). Samarbejdet med ESRF røntgenanlægget (synkrotron) i Frankrig spillede en afgørende rolle.
Dette gjorde dem i stand til at måle, at væskefronten bevæger sig under spring med op til 200 mm/s, hvilket er meget højere end den gennemsnitlige flowhastighed. De så også, at når en pore pludselig blev fyldt under et spring, blev væskeniveauet samtidigt påvirket i alle de andre porer i prøven. Forskerne siger, at denne undersøgelse er første gang, det er blevet observeret direkte i 3D.
Forskerne fortæller, at de i fremtiden også vil kunne bruge deres metode i andre hurtige 3D-processer. Ud over grundlæggende væskestudier vil de studere katalyse og batterier. De har også brugt kunstig intelligens til at analysere målingerne hurtigere og bedre.
Flere oplysninger: Kim Robert Tekseth et al., Multiscale dræningsdynamik med Haines-spring overvåget ved stroboskopisk 4D røntgenmikroskopi, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2305890120
Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences
Leveret af Norges Universitet for Videnskab og Teknologi
Varme artikler
-
Søger efter tunge nye partikler med ATLAS-eksperimentetFigur 1:Post-fit-fordelinger af den kombinerede masse af W-boson- og Higgs-boson-kandidaterne i et signalområde af interesse for W. (Her 2 b-tagget, flettet område.) Det ensfarvede område angiver stan -
Kunstnerisk gåde dekodet af kosmisk tjekkisk opstartEt Madonna and Child -maleri med en historie, der er næsten lige så gådefuld som Mona Lisas smil, er blevet identificeret som et autentisk Raphael -lærred af det tjekkiske firma InsightART, som brugte -
Fysik af forrude-knækkende regndråber kunne nedbryde nyrestenDisse typer cirkulære revner, der først blev set på forruden af supersoniske jetfly, der flyver gennem regnskove, kan hjælpe forskere med at skabe bedre behandlinger for nyresten. Kredit:Duke Univer -
Forskere barberer estimatet af neutrinos masse i halvdelenKATRINs spektrometer, vist her, måler nøjagtigt energien af elektroner, der udsendes i forfaldet af tritium, hvilket har hjulpet forskere tættere på at fastgøre massen af det spøgelseslignende neu
- Stærkt beriget:En energieffektiv måde at berige brintisotoper i silicium
- Spionerer dit køleskab på dig?
- Teoretisk model, der beskriver bevægelsen af ultralydsbølger i nærværelse af flere bobler
- Spørgsmål og svar:Globale metan-emissioner skyder i vejret, men hvor meget skyldtes vådområder?
- Statsfinansieret forskning fremmer i stigende grad innovation
- Ny kemi til ultratynde gassensorer