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Milioni di barili di petrolio vengono prodotti ogni giorno dai giacimenti di scisto, ma una quantità significativa rimane intatta, intrappolata in pori di dimensioni molecolari su scala nanometrica. Gli attuali modelli di giacimento non possono prevedere il comportamento o la ripresa del petrolio su questa scala, quindi le aziende non possono stimare con precisione gli importi di produzione per gli investitori finanziari.
I ricercatori della Texas A&M University hanno costruito e testato (potenzialmente) la più piccola piattaforma di ricerca lab-on-a-chip (LOC) con superficie in vetro su scala nanoporosa per studiare i comportamenti dei fluidi complessi su scala nanometrica in modo da poterli calcolare.
Il Dr. Hadi Nasrabadi, il Dr. Debjyoti Banerjee ei loro studenti laureati, Qi Yang e Ran Bi, hanno co-progettato il minuscolo LOC e lo hanno fatto produrre in strutture A&M del Texas come l'AggieFab Nanofabrication Facility e il Microscopy and Imaging Center. Il dispositivo consente loro di studiare visivamente e registrare il liquido in vapore e ritorno ai cambiamenti di fase liquida che l'olio e altri elementi attraversano su una scala simile alle condizioni in un giacimento di scisto.
"Questa è stata la prima volta che ho realizzato un progetto in cui i rappresentanti dell'azienda erano più interessati alle equazioni che abbiamo scoperto piuttosto che ai dati sperimentali che abbiamo prodotto", ha affermato Banerjee, James J. Cain '51 Faculty Fellow I nel J. Mike Walker '66 Dipartimento di Ingegneria Meccanica. "È un bizzarro esempio di come le equazioni termodinamiche possono influenzare il prezzo delle azioni di una società. L'equazione consiste nella stima della quantità di riserve di petrolio che una società possiede o può produrre, e questo influisce sul loro valore a Wall Street, o se possono ottenere un prestito a un tasso di interesse particolare."
Perché il cambiamento di fase è importante
Al giorno d'oggi, i LOC a volume di fluido minuscolo autonomo sono comuni, come i kit per il test degli anticorpi COVID-19 domestici o i monitor della glicemia. Tuttavia, l'applicazione dei LOC alla ricerca petrolifera è rara e ha richiesto diverse fasi per questo progetto.
Nasrabadi e Banerjee hanno iniziato con canali di test di 50 nanometri (nm) di diametro nei loro LOC prima di lavorare fino a canali di 2 nm di diametro, che sono leggermente più piccoli della larghezza di un filamento di DNA. A questa scala, abbinandosi allo stretto strato di scisto, l'olio reagisce alle fluttuazioni di temperatura, pressione e confinamento vibrando con bizzarri lanci termodinamici del fluido in gas e viceversa i cambiamenti di fase. Poiché la produzione di petrolio da giacimenti di scisto non convenzionale è ancora un processo di apprendimento, questi cambiamenti sono in gran parte inesplorati, ma incidono sulla ripresa del petrolio e influiscono sulla fiducia degli investitori finanziari.
"L'industria attualmente non sta fornendo il petrolio che stanno stimando, e questo non è intenzionale, secondo me", ha affermato Nasrabadi, il professore di sviluppo della carriera di Aghorn Energy presso il Dipartimento di ingegneria petrolifera di Harold Vance. "La nostra ricerca mostra che il comportamento dei nanopori influenza la produzione, il che spiega la discrepanza di recupero."
Problemi di sensibilità
La ricerca presentava anche problemi di consegna perché tre sfide andavano di pari passo con l'esecuzione di esperimenti su scala così piccola. In primo luogo, i ricercatori hanno dovuto conoscere e implementare la microscopia a forza atomica per caratterizzare il canale del LOC poiché 2 nm è inferiore alla lunghezza d'onda della luce visibile e il canale doveva essere ispezionato e misurato con precisione. In secondo luogo, hanno appreso rapidamente che determinate condizioni, come l'umidità nell'aria o il passaggio di un'auto accanto all'edificio, potrebbero causare disturbi o vibrazioni sufficienti per annullare i risultati degli esperimenti. In terzo luogo, ottenere immagini delle strane reazioni di cambiamento di fase si è rivelato difficile perché la fotocamera aveva bisogno di un certo numero di fotoni o di particelle di luce fondamentale presenti. Sono stati costantemente necessari piccoli aggiustamenti per migliorare le registrazioni dell'esperimento.
Ci sono voluti circa due anni prima che la ricerca producesse immagini dirette acquisite digitalmente che aiutassero gli studi di osservazione delle transizioni da liquido a vapore a liquido su una scala che non era mai stata esplorata prima. Nasrabadi, Banerjee, Yang e Bi hanno scritto un articolo sull'opera, che è stato pubblicato da Langmuir ad agosto 2022.
Gli esperimenti sono stati condotti a pressioni fino a 100 libbre per pollice quadrato (psi), ma i ricercatori sperano di aumentare i livelli per adattarsi alle condizioni effettive del serbatoio, che possono variare da 1.000 a 5.000 psi. Sperano anche di aumentare le temperature a oltre 300 gradi Fahrenheit. Questi parametri più elevati erano possibili con LOC contenenti canali in scala di 10 nm, ma il chip da 2 nm richiederà prima alcune modifiche al design.
"Vogliamo anche variare il design del LOC per replicare le condizioni di formazione dello scisto, come l'utilizzo di canali incisi che imitano le irregolarità all'interno della roccia", ha affermato Nasrabadi.
Applicazioni oltre il petrolio
Banerjee una volta ha lavorato nella Silicon Valley, dove ha ottenuto 17 brevetti e commercializzato piattaforme LOC per una varietà di startup di biotecnologie e nanotecnologie. Ha notato flussi irregolari di fluidi confinati su scala nanometrica, ma non ha avuto modo di individuare il motivo per cui sono accaduti.
Anni dopo, le conversazioni che Banerjee ha avuto con Nasrabadi sugli interessanti problemi di confinamento dei fluidi nei bacini di scisto hanno innescato una lunga collaborazione che ha portato al loro progetto per il Crisman Institute. Il successo del progetto ha portato ad altre conversazioni e idee.
Banerjee ritiene che la ricerca abbia chiuso il cerchio perché le modifiche apportate per ridurre la scala LOC al di sotto delle dimensioni di un singolo filamento di DNA significano che ora è possibile una migliore ricerca sul genoma o sul materiale genetico. Ma il potenziale non si ferma qui.
"Alla scala di 2 nm, anche in condizioni di pressione e temperatura normali, un liquido nano-confinato può mostrare proprietà simili al comportamento supercritico", ha affermato Banerjee. "E questo ha importanti implicazioni per la nostra comprensione dei fluidi supercritici. Tali intuizioni potrebbero avere profonde implicazioni per la produzione di energia, l'esplorazione spaziale e le applicazioni biotecnologiche. È davvero notevole". + Esplora ulteriormente
