I ricercatori dell'Università di Notre Dame stanno utilizzando neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Department of Energy (DOE) per studiare come le molecole specializzate potrebbero migliorare i processi di produzione del petrolio, così come i loro potenziali usi nelle tecnologie fotovoltaiche avanzate.

"Non importa per cosa vuoi usare il petrolio, che si tratti di carburante, materia prima, o produrre sostanze chimiche organiche sintetiche:vuoi usarlo nel modo più efficiente, come conveniente, e nel modo più rispettoso dell'ambiente possibile, " ha detto Peter Kilpatrick, un professore a Notre Dame.

Nello specifico, Kilpatrick e Ph.D. McKay Rytting vuole sapere quali effetti hanno le molecole funzionalizzate chiamate petroporfirine sugli asfalteni, di colore scuro, molecole ad alto peso molecolare abbondanti nel petrolio greggio pesante.

"Gli asfalteni causano tutti i tipi di problemi nei processi legati al petrolio. Si attaccano alle pareti dei tubi quando li si pompa, otturano i tubi utilizzati nei trasporti e producono emulsioni, " ha detto Kilpatrick. "Praticamente tutte le sfide associate alla lavorazione del petrolio provengono da asfalteni."

Simile a come il ferro si lega con l'emoglobina, che trasporta l'ossigeno dai nostri polmoni attraverso il flusso sanguigno, le petroporfirine sono responsabili del legame dei metalli pesanti nei sistemi organici per catalizzare le reazioni necessarie. Proprio come gli asfalteni, le petroporfirine sono anche relativamente abbondanti nel greggio pesante.

"Le porfirine sono una specie di chiave per capire come il petrolio è venuto dalla vita, da forme di vita organiche morte, "ha detto Rytting. "Quando gli scienziati hanno iniziato a trovare molecole di porfirina nel petrolio, hanno iniziato a collegarli con l'emoglobina e la clorofilla, ed è così che abbiamo stabilito la connessione".

Le molecole di porfirina sono colorate, alcune viola, verde, blu, e così via, e ogni variazione ha funzioni diverse. La loro struttura ad anello permette a vari atomi di "appendere ai bordi" dell'anello porfirinico comune a tutte le porfirine; e quei raggruppamenti sono ciò che determina le proprietà della molecola come il colore generale, come assorbono la luce, e come interagiscono con gli asfalteni.

Diversi anni fa, Kilpatrick e il suo team hanno sviluppato un metodo per purificare ed estrarre le petroporfirine dal petrolio. Ritengono che le petroporfirine più funzionalizzate potrebbero essere utilizzate per mitigare molti dei comportamenti problematici che derivano dall'aggregazione degli asfalteni.

Poiché i neutroni sono altamente penetranti e sensibili agli elementi leggeri come l'idrogeno, possono essere utilizzati per tracciare singoli atomi e gruppi funzionali molecolari all'interno di strutture dense per rivelare come funzionano.

Il diffrattometro a dispersione a piccolo angolo esteso Q-Range, o lo strumento EQ-SANS, presso la Spallation Neutron Source dell'ORNL, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, consente al team di studiare un gran numero di campioni per comprendere meglio come le petroporfirine e gli asfalteni interagiscono a livello molecolare.

"Il motivo per cui lo scattering di neutroni è perfetto per questa ricerca è che possiamo variare la quantità di idrogeno nel nostro solvente usando solventi deuterati o idrogenati, che ci dicono quanto solvente è stato assorbito dall'aggregato. Riteniamo che questo farà luce su metodi di lavorazione più efficienti e forse anche su nuove applicazioni nel fotovoltaico, ", ha detto Rytting.

"Pensiamo che queste porfirine abbiano molti altri usi a cui nessuno ha nemmeno pensato perché non hanno mai purificato queste molecole dal petrolio come siamo stati in grado di fare noi, " ha detto Kilpatrick. "I neutroni sono ideali per aiutarci a realizzare il loro potenziale."