Un metodo basato sulla TC (tomografia computerizzata), un tipo di imaging ampiamente utilizzato negli ospedali, può aiutare a migliorare la nostra comprensione della CO2 stoccaggio, batterie e processi nel corpo come l'assorbimento dei nutrienti.
Come scorrono i fluidi in materiali come pietra, terra e ossa? I pori possono essere piccoli e stretti e i fluidi possono muoversi rapidamente, spesso con piccoli salti che durano pochi millisecondi. Finora non era possibile realizzare video 3D al rallentatore.
I ricercatori hanno ora sviluppato un metodo basato sulla TC (tomografia computerizzata), un tipo di imaging ampiamente utilizzato negli ospedali. Ciò può aiutare a migliorare la nostra comprensione della CO2 stoccaggio, batterie e processi nel corpo come l’assorbimento dei nutrienti. Lo studio è pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences .
I fluidi nei materiali porosi sono ovunque, sia in natura che nell'industria. Nelle geoscienze e nelle scienze ambientali, comprendere come i fluidi si muovono attraverso la roccia è importante per l’approvvigionamento di acqua dolce e il controllo dell’inquinamento. CO2 lo stoccaggio negli ex giacimenti di petrolio e gas del Mare del Nord è una tecnologia promettente in grado di ridurre le emissioni di gas serra, ma rappresenta una sfida quando si inietta CO2 nel substrato roccioso è che l'acqua salata già presente deve essere spostata.
I materiali porosi in genere assorbono fluidi. I fluidi bagnanti si diffondono uniformemente sui materiali, mentre i fluidi non bagnanti formano goccioline a contatto minimo con l'ambiente circostante. Il drenaggio coinvolge un fluido non bagnante, tipicamente aria, che sostituisce un fluido bagnante.
Il drenaggio nella pietra porosa è complicato e i fluidi non fluiscono in modo uniforme a livello micro, ma a singhiozzo, simile a un processo di "gorgoglio". La pressione aumenta prima che i pori si riempiano improvvisamente con i cosiddetti salti di Haines.
Questi salti influenzano la capacità dei materiali di trasportare fluidi. Ciò è quindi importante anche in relazione alla CO2 stoccaggio e catalizzatori. Il software del computer è stato progettato per modellare i salti di Haines, ma deve essere calibrato con le misurazioni. I salti di Haines non sono stati ancora ripresi in 3D con una risoluzione sufficientemente buona da poterli studiare in dettaglio. Questo perché avvengono all'interno dei materiali, su distanze molto brevi (da nanometri a millimetri) e in periodi di tempo molto brevi (millisecondi).
Kim Robert Tekseth è uno studente di dottorato presso la NTNU. Sta studiando come utilizzare la microscopia a raggi X per studiare i fluidi in materiali porosi. Gli scienziati di tutto il mondo hanno gareggiato per realizzare un video 3D al rallentatore dei fluidi nella pietra. Il precedente "record mondiale" era di circa un secondo per passo temporale. Un gruppo di ricerca ha battuto questo record. Ora possono effettuare queste misurazioni circa 1.000 volte più velocemente. A 0,5 millisecondi per passo, il flusso del fluido può essere studiato in dettaglio in 3D.
Ripensare l'intero processo
Utilizzando la TC normale, il campione deve essere ruotato di 180° per creare ciascuna immagine 3D. Ciò limita la velocità di imaging, il che significa che hanno dovuto ripensare l’intero processo. La soluzione era rendere ripetibile il flusso attraverso il materiale poroso. I ricercatori hanno realizzato un piccolo campione di vetro sinterizzato. L'acqua e l'aria possono essere spinte avanti e indietro ripetutamente all'interno del vetro, mentre centinaia di migliaia di raggi X vengono catturati da diverse angolazioni. Il metodo può essere illustrato confrontandolo con il salto in alto nell'atletica.
Immagina di realizzare un film in 3D di un salto in alto professionale. È possibile utilizzare più fotocamere contemporaneamente da diverse angolazioni (ma questo è difficile da fare con i raggi X). La chiave è che ogni salto procede ogni volta con una tecnica quasi identica. Ciò consente di registrare una serie di salti da diverse angolazioni e queste registrazioni possono poi essere raccolte in un unico film 3D. Questo è anche chiamato 4D-CT (3D + tempo). La collaborazione con l'impianto a raggi X (sincrotrone) dell'ESRF in Francia ha svolto un ruolo cruciale.
Ciò ha permesso loro di misurare che il fronte liquido si muove durante i salti fino a 200 mm/s, che è molto più alto della portata media. Hanno anche visto che quando un poro si riempiva improvvisamente durante un salto, il livello del fluido veniva influenzato contemporaneamente in tutti gli altri pori del campione. I ricercatori affermano che questo studio è la prima volta che questo fenomeno viene osservato direttamente in 3D.
I ricercatori affermano che in futuro potranno utilizzare il loro metodo anche in altri processi rapidi 3D. Oltre agli studi di base sui fluidi, studieranno la catalisi e le batterie. Hanno anche utilizzato l'intelligenza artificiale per analizzare le misurazioni più velocemente e meglio.
Ulteriori informazioni: Kim Robert Tekseth et al, Dinamica del drenaggio multiscala con salti di Haines monitorati mediante microscopia a raggi X stroboscopica 4D, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2023). DOI:10.1073/pnas.2305890120
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dall'Università norvegese di scienza e tecnologia
