Donhee prosciutto, Gordon McKay Professore di Ingegneria Elettrica e Fisica Applicata, ha ricevuto 1,7 milioni di dollari dall'Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per sviluppare l'elettronica miniaturizzata per la risonanza magnetica nucleare (NMR). Le dimensioni ridotte e il basso costo dei dispositivi si prestano a un'ampia diffusione nel sottosuolo profondo della Terra, consentendo l'imaging di formazioni rocciose per l'esplorazione di petrolio e gas.

L'NMR è una tecnica che perturba i protoni all'interno di una molecola per raccogliere importanti indizi sulla sua struttura e movimento. Può identificare sostanze sconosciute, rilevare lievissime variazioni nella composizione chimica con risoluzione atomica, e misurare come le molecole si muovono e interagiscono, rendendolo uno strumento essenziale nella chimica organica, biologia strutturale, e scoperta di farmaci.

Dagli anni '90, L'NMR è stato uno strumento vitale per l'esplorazione petrolifera nell'industria petrolifera e del gas. Viene utilizzato per esaminare le composizioni dei fluidi e le interazioni molecolari tra superfici rocciose e fluidi e ha aiutato a scoprire grandi giacimenti di petrolio e scisto in Brasile e negli Stati Uniti.

Però, l'attuale elettronica NMR utilizzata nella scoperta di petrolio e gas è ingombrante, pesante e costoso. Sono alti più di 12 piedi e pesano più di 200 libbre. Ham e il suo team stanno cercando di cambiarlo integrando l'ingombrante elettronica NMR in un chip a semiconduttore che può essere tenuto nel palmo di una mano.

"Un'elettronica NMR così piccola può essere diffusa in modo molto più ampio in tutte le formazioni geologiche, consentire il monitoraggio distribuito a lungo termine del sottosuolo terrestre, trasformare la scoperta e la produzione di petrolio in giacimenti maturi, campi di acque profonde, e giacimenti di petrolio/gas non convenzionali, " ha detto Ham. "Un tale monitoraggio distribuito è come l'imaging del sottosuolo terrestre, proprio come le stesse immagini fisiche NMR all'interno del corpo umano nella risonanza magnetica".

Negli ultimi 10 anni, Ham e il suo team hanno ridotto i dispositivi NMR per il rilevamento biomolecolare diagnostico portatile e la spettroscopia biomolecolare utilizzando la tecnologia dei circuiti integrati al silicio, la tecnologia responsabile dei microprocessori per computer. Il presente progetto si basa su tale esperienza.

La nuova sfida per le applicazioni del sottosuolo profondo è realizzare un'elettronica su scala di chip in grado di resistere alle alte temperature dell'ambiente sotterraneo. I circuiti integrati in silicio della generazione attuale non sono tagliati per tali applicazioni ad alta temperatura. Per vincere questa sfida, Ham e il suo team utilizzeranno la tecnologia dei circuiti integrati al nitruro di gallio (GaN), che non solo aiuta nella miniaturizzazione, ma consente anche al sistema di funzionare a temperature elevate.

Oltre alla scoperta di petrolio e gas nel sottosuolo, questo dispositivo NMR in miniatura potrebbe essere ampiamente distribuito per monitorare la qualità e migliorare l'efficienza negli elementi a valle della catena energetica, compresa la spedizione, tubazioni, mescolando, raffineria, Conservazione, e distribuzione.

Questa ricerca fa parte di una continua collaborazione con Schlumberger, una delle più grandi società di servizi petroliferi al mondo. Il finanziamento avviene attraverso il programma ARPA-E OPEN, che mira a identificare nuove tecnologie potenzialmente dirompenti nell'intero spettro delle applicazioni energetiche.