|
Обнаружены наноразмерные фазовые изменения жидкости
|
|
|
|
Ежедневно из сланцевых резервуаров добываются миллионы баррелей нефти, однако значительное ее количество остается нетронутым, заключенным в поры молекулярного размера в наномасштабе. Текущие модели резервуаров не могут предсказать поведение нефти или нефтеотдачу в таком масштабе, поэтому компании не могут точно оценить объемы добычи для финансовых инвесторов. Исследователи Техасского университета A&M построили и протестировали (потенциально) самую маленькую исследовательскую платформу со стеклянной крышкой (LOC) со стеклянной крышкой (LOC) в масштабе нанопор для изучения сложного поведения жидкости в наномасштабе, чтобы они могли их рассчитать.
|
|
|
|
Доктор Хади Насрабади, доктор Дебджьоти Банерджи и их аспиранты Ци Ян и Ран Би совместно разработали сверхмаленький LOC и изготовили его на предприятиях A&M в Техасе, таких как завод нанопроизводства AggieFab и Центр микроскопии и визуализации. Устройство позволяет им визуально изучать и регистрировать фазовые переходы жидкости в пар и обратно в жидкую нефть и другие элементы в масштабе, аналогичном условиям в сланцевом пласте.
|
|
|
«Это был первый раз, когда я выполнял проект, в котором представители компании были больше заинтересованы в уравнениях, которые мы раскрыли, а не в экспериментальных данных, которые мы получили», — сказал Банерджи, научный сотрудник факультета Джеймса Дж. Кейна '51. '66 Машиностроительный факультет. «Это странный пример того, как термодинамические уравнения могут повлиять на цену акций компании. Уравнение используется для оценки того, сколько запасов нефти принадлежит компании или может ее добывать, и это влияет на их стоимость на Уолл-стрит или на то, могут ли они получить финансовую прибыль». кредит под определенный процент». В настоящее время широко распространены автономные LOC с небольшим объемом жидкости, такие как домашние тест-наборы на антитела к COVID-19 или мониторы уровня сахара в крови. Однако применение LOC к нефтяным исследованиям встречается редко, и для этого проекта потребовалось несколько этапов.
|
|
|
|
Насрабади и Банерджи начали с тестовых каналов диаметром 50 нанометров (нм) в своих LOC, прежде чем перейти к каналам диаметром 2 нм, которые немного меньше ширины цепи ДНК. В этом масштабе, соответствующем плотным сланцевым слоям, нефть реагирует на колебания температуры, давления и локализации, вибрируя причудливыми термодинамическими переворотами жидкости в газ и обратно фазовыми изменениями. Поскольку добыча нефти из нетрадиционных сланцевых месторождений все еще является процессом обучения, эти изменения в значительной степени не изучены, однако они влияют на добычу нефти и доверие финансовых инвесторов. «Промышленность в настоящее время не поставляет нефть, которую они оценивают, и, на мой взгляд, это непреднамеренно», — сказал Насрабади, профессор Aghorn Energy Career Development в Департаменте нефтяной инженерии Гарольда Вэнса. «Наше исследование показывает, что поведение нанопор действительно влияет на производительность, что объясняет несоответствие извлечения».
|
|
|
|
У исследования также были проблемы с доставкой, потому что проведение экспериментов в таком небольшом масштабе шло рука об руку с тремя проблемами. Во-первых, исследователи должны были изучить и внедрить атомно-силовую микроскопию, чтобы охарактеризовать канал LOC, поскольку 2 нм меньше длины волны видимого света, а канал необходимо было осмотреть и точно измерить. Во-вторых, они быстро поняли, что определенные условия, такие как влажность воздуха или автомобиль, проезжающий мимо здания, могут вызвать достаточное волнение или вибрацию, чтобы исказить результаты экспериментов. В-третьих, получение изображений причудливых реакций фазового перехода оказалось трудным, потому что камере требовалось присутствие определенного количества фотонов или элементарных световых частиц. Для улучшения записи эксперимента постоянно требовались небольшие корректировки.
|
|
|
|
Потребовалось около двух лет, чтобы исследование получило прямые цифровые изображения, которые помогли изучить наблюдение за переходами жидкости в пар и в жидкость в масштабе, который никогда раньше не исследовался. Насрабади, Банерджи, Ян и Би написали статью об этой работе, которая была опубликована Ленгмюром в августе 2022 года. Эксперименты проводились при давлении до 100 фунтов на квадратный дюйм (psi), но исследователи надеются увеличить уровни, чтобы они соответствовали реальным пластовым условиям, которые могут варьироваться от 1000 до 5000 psi. Они также надеются увеличить температуру до более чем 300 градусов по Фаренгейту. Эти более высокие параметры были возможны с LOC, содержащими 10-нм масштабные каналы, но для 2-нм чипа сначала потребуется несколько модификаций конструкции. «Мы также хотим изменить конструкцию LOC, чтобы воспроизвести условия формирования сланца, например, использовать протравленные каналы, которые имитируют неровности в скале», — сказал Насрабади.
|
|
|
|
Банерджи когда-то работал в Силиконовой долине, где он получил 17 патентов и коммерциализировал LOC-платформы для различных стартапов в области биотехнологий и нанотехнологий. Тогда он заметил нерегулярные потоки жидкости, заключенные в наномасштабе, но не смог точно определить, почему они произошли. Спустя годы разговоры Банерджи с Насрабади об интересных проблемах удержания жидкости в сланцевых резервуарах привели к долгому сотрудничеству, которое привело к их проекту для Института Крисмана. Успех проекта привел к другим разговорам и идеям.
|
|
|
|
Банерджи считает, что исследование завершилось полным циклом, потому что модификации, которые они внесли для уменьшения масштаба LOC ниже размера одной цепи ДНК, означают, что теперь возможно лучшее исследование генома или генетического материала. Но потенциал на этом не заканчивается. «В масштабе 2 нм даже при нормальных условиях давления и температуры нано-жидкость может демонстрировать свойства, аналогичные сверхкритическому поведению», — сказал Банерджи. «И это имеет важные последствия для нашего понимания сверхкритических флюидов. Такое понимание может иметь глубокие последствия для производства энергии, исследования космоса и применения биотехнологии. Это действительно замечательно».
|
|
|
|
Источник
|
