Negli ultimi decenni, fratturazione idraulica o "fracking, "un metodo di estrazione di petrolio e gas, ha rivoluzionato il settore energetico mondiale. Consiste nella fratturazione della roccia con un liquido pressurizzato o "fracking fluid" (acqua contenente sabbia sospesa con l'ausilio di agenti addensanti) per estrarre piccoli depositi di petrolio e gas intrappolati nelle formazioni rocciose.

Dopo che le molecole d'acqua del fluido di fracking sono state iniettate in queste formazioni, risalgono i muri di pietra dei piccoli canali dove sono sfociati. Possono quindi subire "imbibizione, " un tipo di diffusione che comporta l'assorbimento tramite nano-pori nelle tasche vicine dove risiedono petrolio e gas. Man mano che le molecole d'acqua vengono assorbite, le molecole di petrolio e gas vengono spostate e possono quindi essere pompate in superficie. Questa attività è guidata dalla forza capillare tra l'acqua e l'olio, che risulta dalla tensione generata all'interfaccia o punto in cui i due fluidi si incontrano.

Gli scienziati hanno tipicamente calcolato il livello previsto di aumento capillare in queste condizioni con l'equazione di Lucas-Washburn, un modello matematico i cui primi parametri furono ideati per la prima volta quasi un secolo fa. La sfida, però, è che l'equazione non è stata completamente accurata nel prevedere l'effettivo aumento osservato negli esperimenti di laboratorio sui nano-capillari.

"L'altezza dell'aumento capillare che è stata osservata in questi esperimenti era inferiore a quanto previsto dal modello Lucas-Washburn, " ha spiegato Anqi Shen, uno studente di dottorato presso la Northeast Petroleum University cinese che lavora a stretto contatto con Yikun Liu, un professore all'università. "Capire cosa stava causando questa deviazione è diventato un importante punto di attenzione per me e i miei colleghi".

I ricercatori descrivono i loro risultati questa settimana sulla rivista Lettere di fisica applicata .

"Sono state offerte molte spiegazioni per l'aumento capillare inferiore al previsto. Un'area di discussione si è concentrata sulla viscosità del fluido. Un'altra sono stati gli strati appiccicosi di olio che si formano sulle pareti dei capillari e ne restringono il diametro, che è un problema che abbiamo anche esplorato, "Shen ha detto, il cui lavoro è anche finanziato dal Major Projects Program for the National Science and Technology of China.

"Abbiamo esaminato molti fattori e abbiamo scoperto che la rugosità superficiale dei capillari era la ragione principale del risultato inferiore al previsto. In particolare, ci siamo resi conto che il modello poteva determinare meglio il livello effettivo di risalita capillare se aggiustavamo i parametri per tenere conto della resistenza per attrito causata dalla rugosità intrinseca della superficie delle pareti dei capillari. Quando abbiamo visto come questo ha reso il modello più accurato, sapevamo che non potevamo ignorarlo, "Ha detto Shen.

Inoltre, la minuscola dimensione dei capillari significa che anche piccoli aumenti della rugosità superficiale possono avere un impatto significativo sui calcoli.

"Fattori che potrebbero essere ignorati in condizioni normali possono avere effetti significativi a livello micro o nano. Ad esempio, una rugosità relativa del 5 percento, in un tubo con un raggio di 100 cm dove l'altezza dell'ostacolo è di 5 cm influisce poco sul flusso del fluido nel tubo. Però, con un raggio del tubo di 100 nm e un'altezza dell'ostacolo di 5 nm, potrebbe influenzare significativamente il flusso del fluido nel tubo, "Ha detto Shen.

Attualmente, ci sono solo pochi laboratori che effettuano esperimenti di aumento dei nano-capillari. Di conseguenza, Shen ei suoi colleghi hanno potuto lavorare solo con i risultati di un laboratorio nei Paesi Bassi. Andando avanti, intendono verificare la loro formula matematica esaminandone l'efficacia nel simulare i risultati di altri esperimenti.

Sebbene la ricerca di Shen si concentri sullo sviluppo di petrolio e gas, lei ei suoi colleghi sperano che il loro lavoro possa essere utile agli scienziati che lavorano in altri campi.

"L'aumento capillare è fondamentale, fenomeno fisico che si verifica nel suolo, carta, e altri regni biologicamente rilevanti, "Ha detto Shen. "Capire come è potenzialmente influenzato a livello nano-capillare dalla resistenza per attrito potrebbe far luce in una varietà di discipline scientifiche".