Fluidphasenveränderungen im Nanomaßstab aufgedeckt

Millionen Barrel Öl werden täglich aus Schiefervorkommen gefördert, doch eine beträchtliche Menge bleibt unberührt, eingeschlossen in molekulargroßen Poren im Nanomaßstab. Aktuelle Lagerstättenmodelle können das Verhalten oder die Förderung von Öl in dieser Größenordnung nicht vorhersagen, sodass Unternehmen die Produktionsmengen für Finanzinvestoren nicht genau abschätzen können.

Forscher der Texas A&M University bauten und testeten (möglicherweise) die kleinste Labor-on-a-Chip (LOC)-Forschungsplattform mit Glasoberfläche im Nanoporenmaßstab, um komplexes Flüssigkeitsverhalten im Nanomaßstab zu untersuchen und zu berechnen.

Dr. Hadi Nasrabadi, Dr. Debjyoti Banerjee und ihre Doktoranden Qi Yang und Ran Bi entwarfen gemeinsam das ultrakleine LOC und ließen es in texanischen A&M-Einrichtungen wie der AggieFab Nanofabrication Facility und dem Microscopy and Imaging Center herstellen. Das Gerät ermöglicht es ihnen, die Phasenänderungen von Flüssigkeit zu Dampf und zurück zu Flüssigkeit visuell zu untersuchen und aufzuzeichnen, die Öl und andere Elemente in einem Maßstab durchlaufen, der den Bedingungen in einer Schieferlagerstätte ähnelt.

„Dies war das erste Mal, dass ich ein Projekt durchgeführt habe, bei dem die Unternehmensvertreter mehr an den Gleichungen interessiert waren, die wir aufgedeckt haben, als an den experimentellen Daten, die wir produziert haben“, sagte Banerjee, James J. Cain ’51 Faculty Fellow I im J. Mike Walker ’66 Fakultät für Maschinenbau. „Es ist ein bizarres Beispiel dafür, wie thermodynamische Gleichungen den Aktienkurs eines Unternehmens beeinflussen können. Die Gleichung geht in die Schätzung ein, wie viele Ölreserven ein Unternehmen besitzt oder produzieren kann, und dies wirkt sich auf seinen Wert an der Wall Street aus oder ob es einen finanziellen Gewinn erzielen kann Darlehen zu einem bestimmten Zinssatz.“

Warum Phasenwechsel wichtig sind

In sich geschlossene LOCs mit kleinem Flüssigkeitsvolumen sind heutzutage üblich, wie z. B. COVID-19-Antikörpertestkits für den Heimgebrauch oder Blutzuckermessgeräte. Die Anwendung von LOCs in der Erdölforschung ist jedoch selten und erforderte für dieses Projekt mehrere Phasen.

Nasrabadi und Banerjee begannen mit Testkanälen mit einem Durchmesser von 50 Nanometer (nm) in ihren LOCs, bevor sie sich auf Kanäle mit einem Durchmesser von 2 nm reduzierten, die etwas kleiner sind als die Breite eines DNA-Strangs. In dieser Größenordnung, passend zur dichten Schieferschicht, reagiert Öl auf Temperatur-, Druck- und Einschlussschwankungen, indem es mit skurrilen thermodynamischen Wechseln von Flüssigkeit zu Gas und wieder zurück vibriert. Da die Förderung von Öl aus unkonventionellen Schieferlagerstätten immer noch ein Lernprozess ist, sind diese Veränderungen weitgehend unerforscht, wirken sich jedoch auf die Ölförderung aus und beeinträchtigen das Vertrauen der Finanzinvestoren.

„Die Industrie liefert derzeit nicht das Öl, das sie schätzen, und das ist meiner Meinung nach unbeabsichtigt“, sagte Nasrabadi, Professor für Laufbahnentwicklung bei Aghorn Energy am Harold Vance Department of Petroleum Engineering. „Unsere Forschung zeigt, dass das Nanoporenverhalten die Produktion beeinflusst, was die Diskrepanz bei der Rückgewinnung erklärt.“

Probleme mit Sensibilität

Die Forschung hatte auch Lieferprobleme, weil drei Herausforderungen mit der Durchführung von Experimenten in einem so kleinen Maßstab einhergingen. Zunächst mussten die Forscher die Rasterkraftmikroskopie erlernen und anwenden, um den Kanal des LOC zu charakterisieren, da 2 nm kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist und der Kanal inspiziert und genau vermessen werden musste. Zweitens lernten sie schnell, dass bestimmte Bedingungen, wie die Luftfeuchtigkeit oder ein am Gebäude vorbeifahrendes Auto, genug Störungen oder Vibrationen verursachen könnten, um die Ergebnisse der Experimente zu verfälschen. Drittens erwies es sich als schwierig, Bilder der skurrilen Phasenwechselreaktionen zu erhalten, da die Kamera eine bestimmte Anzahl von Photonen oder fundamentalen Lichtteilchen benötigte. Immer wieder waren kleine Anpassungen nötig, um die Versuchsaufzeichnungen zu verbessern.

Es dauerte etwa zwei Jahre, bis die Forschung direkte, digital aufgenommene Bilder lieferte, die Beobachtungsstudien von Flüssigkeits-Dampf-Flüssigkeits-Übergängen in einem nie zuvor erforschten Ausmaß unterstützten. Nasrabadi, Banerjee, Yang und Bi schrieben eine Abhandlung über die Arbeit, die von veröffentlicht wurde Langmuir im August 2022.

Die Experimente wurden bei Drücken von bis zu 100 Pfund pro Quadratzoll (psi) durchgeführt, aber die Forscher hoffen, die Werte erhöhen zu können, um den tatsächlichen Lagerstättenbedingungen zu entsprechen, die zwischen 1.000 und 5.000 psi liegen können. Sie hoffen auch, die Temperaturen auf über 300 Grad Fahrenheit zu erhöhen. Diese höheren Parameter waren mit LOCs mit Kanälen im 10-nm-Maßstab möglich, aber der 2-nm-Chip erfordert zunächst einige Designänderungen.

„Wir wollen auch das LOC-Design variieren, um die Bedingungen der Schieferformation nachzubilden, beispielsweise durch die Verwendung geätzter Kanäle, die die Unregelmäßigkeiten im Gestein nachahmen“, sagte Nasrabadi.

Anwendungen jenseits von Erdöl

Banerjee arbeitete einst im Silicon Valley, wo er 17 Patente erhielt und LOC-Plattformen für eine Vielzahl von Biotechnologie- und Nanotechnologie-Startup-Unternehmen kommerzialisierte. Er bemerkte damals unregelmäßige Flüssigkeitsströme im Nanomaßstab, konnte aber nicht genau sagen, warum sie passierten.

Jahre später lösten Gespräche, die Banerjee mit Nasrabadi über die interessanten Probleme des Flüssigkeitseinschlusses in Schieferreservoiren führte, eine lange Zusammenarbeit aus, die zu ihrem Projekt für das Crisman Institute führte. Der Erfolg des Projekts hat zu weiteren Gesprächen und Ideen geführt.

Banerjee glaubt, dass sich der Kreis der Forschung geschlossen hat, weil die Modifikationen, die sie vorgenommen haben, um die LOC-Skala unter die Größe eines einzelnen DNA-Strangs zu verringern, bedeuten, dass jetzt eine bessere Genom- oder genetische Materialforschung möglich ist. Aber das Potenzial hört hier nicht auf.

„Auf der 2-nm-Skala kann eine nanobegrenzte Flüssigkeit selbst unter normalen Druck- und Temperaturbedingungen Eigenschaften zeigen, die dem überkritischen Verhalten ähneln“, sagte Banerjee. „Und das hat wichtige Auswirkungen auf unser Verständnis überkritischer Fluide. Solche Erkenntnisse könnten tiefgreifende Auswirkungen auf die Stromerzeugung, die Weltraumforschung und biotechnologische Anwendungen haben. Das ist wirklich bemerkenswert.“