Nanoskala væskefaseændringer afsløret

Millioner af tønder olie produceres dagligt fra skiferreservoirer, men en betydelig mængde forbliver uberørt, fanget i molekylære porer på nanoskala. Nuværende reservoirmodeller kan ikke forudsige olieadfærd eller indvinding i denne skala, så virksomheder kan ikke nøjagtigt estimere produktionsmængder for finansielle investorer.

Texas A&M University-forskere byggede og testede (potentielt) den mindste laboratorie-på-en-chip (LOC)-forskningsplatform med glastop i nanoporeskala til at undersøge kompleks væskeadfærd på nanoskala, så de kunne beregne dem.

Dr. Hadi Nasrabadi, Dr. Debjyoti Banerjee og deres kandidatstuderende, Qi Yang og Ran Bi, var med til at designe den ultralille LOC og fik den fremstillet i Texas A&M-faciliteter såsom AggieFab Nanofabrication Facility og Microscopy and Imaging Center. Enheden giver dem mulighed for visuelt at studere og registrere væsken til damp og tilbage til væskefaseændringer, olie og andre elementer gennemgår på en skala, der svarer til forholdene i et skiferreservoir.

"Dette var første gang, jeg lavede et projekt, hvor virksomhedens repræsentanter var mere interesserede i de ligninger, vi afdækkede, snarere end de eksperimentelle data, vi producerede," sagde Banerjee, James J. Cain '51 Faculty Fellow I i J. Mike Walker '66 Institut for Maskinteknik. "Det er et bizart eksempel på, hvordan termodynamiske ligninger kan påvirke aktiekursen på en virksomhed. Ligningen går ud på at estimere, hvor meget oliereserver en virksomhed ejer eller kan producere, og det påvirker deres værdi på Wall Street, eller om de kan få en finansiel lån til en bestemt rente."

Hvorfor faseskift betyder noget

Selvforsynende lille væskevolumen LOC'er er almindelige i dag, såsom COVID-19-antistoftestsæt til hjemmet eller blodsukkermonitorer. Det er dog sjældent at anvende LOC'er til olieforskning, og det tog flere trin for dette projekt.

Nasrabadi og Banerjee startede med testkanaler på 50 nanometer (nm) i deres LOC'er, før de arbejdede ned til kanaler med en diameter på 2 nm, som er lidt mindre end bredden af ​​en DNA-streng. I denne skala, matchende tæt skiferlag, reagerer olie på temperatur-, tryk- og indeslutningsudsving ved at vibrere med skæve termodynamiske flips af væske til gas og tilbage igen faseændringer. Fordi produktion af olie fra ukonventionelle skiferreservoirer stadig er en læreproces, er disse ændringer stort set uudforskede, men alligevel påvirker de olieindvindingen og påvirker de finansielle investorers tillid.

"Industrien leverer i øjeblikket ikke den olie, de estimerer, og dette er utilsigtet, efter min mening," sagde Nasrabadi, Aghorn Energy Career Development Professor i Harold Vance Department of Petroleum Engineering. "Vores forskning viser, at nanopore-adfærd påvirker produktionen, hvilket forklarer gendannelsesforskellen."

Problemer med følsomhed

Forskningen havde også leveringsproblemer, fordi tre udfordringer løb hånd i hånd med at lave eksperimenter i så lille skala. Først skulle forskerne lære om og implementere atomkraftmikroskopi for at karakterisere LOC'ens kanal, da 2 nm er mindre end bølgelængden af ​​synligt lys, og kanalen skulle inspiceres og måles nøjagtigt. For det andet lærte de hurtigt, at visse forhold, såsom fugtigheden i luften eller en bil, der passerede bygningen, kunne forårsage nok forstyrrelser eller vibrationer til at kaste resultaterne af eksperimenterne af sig. For det tredje viste det sig, at det var svært at få billeder af de skæve faseændringsreaktioner, fordi kameraet havde brug for et vist antal fotoner eller grundlæggende lyspartikler til stede. Der var konstant behov for små justeringer for at forbedre eksperimentets optagelser.

Det tog omkring to år for forskningen at give direkte, digitalt fangede billeder, der hjalp med observationsstudier af væske til damp til væske overgange i en skala, som aldrig var blevet udforsket før. Nasrabadi, Banerjee, Yang og Bi skrev et papir om værket, som blev udgivet af Langmuir i august 2022.

Eksperimenterne blev udført ved tryk på op til 100 pund per kvadrattomme (psi), men forskerne håber at øge niveauerne for at matche de faktiske reservoirforhold, som kan variere fra 1.000 til 5.000 psi. De håber også at øge temperaturerne til over 300 grader Fahrenheit. Disse højere parametre var mulige med LOC'er, der indeholdt 10-nm skalakanaler, men 2-nm-chippen skal først have et par designændringer.

"Vi ønsker også at variere LOC-designet for at replikere skiferdannelsesforhold, såsom at bruge ætsede kanaler, der efterligner uregelmæssighederne i klippen," sagde Nasrabadi.

Ansøgninger ud over petroleum

Banerjee arbejdede engang i Silicon Valley, hvor han blev tildelt 17 patenter og kommercialiserede LOC-platforme for en række bioteknologiske og nanoteknologiske startup-virksomheder. Han bemærkede dengang uregelmæssige strømme af væsker indespærret på nanoskala, men han havde ikke en måde at finde ud af, hvorfor de skete.

År senere udløste samtaler, som Banerjee havde med Nasrabadi om de interessante problemer med væskeindeslutning i skiferreservoirer, et langt samarbejde, der førte til deres projekt for Crisman Institute. Projektets succes har ført til andre samtaler og ideer.

Banerjee mener, at forskningen er kommet fuld cirkel, fordi de ændringer, de lavede for at reducere LOC-skalaen under størrelsen af ​​en enkelt DNA-streng, betyder, at bedre genom- eller genetisk materialeforskning nu er mulig. Men potentialet stopper ikke der.

"På 2-nm-skalaen, selv under normale tryk- og temperaturforhold, kan en nano-begrænset væske vise egenskaber svarende til superkritisk adfærd," sagde Banerjee. "Og det har vigtige implikationer for vores forståelse af superkritiske væsker. Sådanne indsigter kan have dybe implikationer for energiproduktion, rumudforskning og bioteknologiske anvendelser. Det er virkelig bemærkelsesværdigt." + Udforsk yderligere

Ny forskning belyser egenskaberne af protein-RNA-dråber