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    Os cientistas usam raios-X para desvendar os segredos do xisto, uma pedra angular de uma das fontes de energia de crescimento mais rápido do país

    Conforme mostrado nesta ilustração, como carbono, como o encontrado nas algas, O plâncton marinho e as plantas terrestres costeiras aproximam-se do núcleo da Terra, está sujeito a temperaturas e pressões mais altas que mudam sua química, refletida por uma medição conhecida como "maturidade térmica". Os pesquisadores analisaram amostras de carbono em uma variedade de tipos e maturidades térmicas para esclarecer como o petróleo e o gás natural se formam e viajam no xisto. Crédito:Terry Anderson / SLAC National Accelerator Laboratory

    Gás natural e petróleo bruto trancados dentro de camadas de xisto, um tipo de rocha sedimentar, é uma das maiores fontes de energia e de crescimento mais rápido do país. De acordo com Drew Pomerantz, um cientista da Schlumberger, uma empresa de serviços de campos petrolíferos, duas das questões científicas mais fascinantes relacionadas aos xistos são de que são compostos e como o petróleo e o gás são armazenados e transportados nas rochas.

    Para resolver essas questões, Pomerantz e sua equipe iniciaram uma colaboração com Dimosthenis Sokaras, um cientista do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia. Usando Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) da SLAC, os pesquisadores estão desenvolvendo técnicas para investigar formas de carbono que ocorrem naturalmente, como o encontrado no xisto.

    No início deste ano, eles publicaram um artigo em Energia e Combustíveis sobre uma ampla variedade de formas de carbono encontradas na natureza, incluindo querogênio, que é o carbono orgânico encontrado em rochas sedimentares e é a forma mais abundante de carbono orgânico que ocorre naturalmente na crosta terrestre.

    Esses materiais podem ser principalmente aromáticos, contendo átomos de carbono conectados por fortes, ligações rígidas, como em grafite ou carvão, ou principalmente alifático, contendo átomos de carbono conectados por fracos, laços flexíveis, como em cera ou óleo. Os pesquisadores descobriram que, apesar dessas diferenças fundamentais, o carbono aromático é sempre estruturado da mesma forma.

    Por que é importante estudar o carbono?

    Sokaras:O carbono está em toda parte, e vem em muitas formas diferentes. Embora todas essas formas sejam compostas do mesmo elemento, o arranjo de seus elétrons, e, portanto, sua ligação, leva a propriedades muito diferentes

    Pomerantz:Na natureza, você tem um pouco de carbono no ar e na superfície da Terra, um pouco de carbono em lagos e oceanos, mas a maior parte do carbono orgânico do planeta está na verdade no subsolo. E quanto mais perto você chega do centro da Terra, quanto mais altas as temperaturas e pressões ficam, que muda a química dos materiais. Estas alterações, que pode levar à formação de petróleo e gás, resultado de um processo conhecido como "maturação térmica". Queríamos estudar amostras representativas das muitas formas diferentes de carbono orgânico de ocorrência natural, incluindo amostras com diferentes maturidades térmicas.

    Nossa esperança é que, se pudermos entender a estrutura das formações de carbono onde o petróleo é produzido e os processos químicos e físicos que ocorrem nelas, podemos fazer previsões melhores sobre onde encontrar petróleo e como extraí-lo do solo. Isso também pode nos ensinar sobre o que acontece quando tentamos remover o dióxido de carbono da atmosfera enterrando-o no subsolo, onde ele interage com o carbono orgânico que já está lá.

    Que progresso foi feito nessa frente no SSRL até agora?

    Pomerantz:Em 2018, publicamos um artigo fundamental no Journal of Physical Chemistry A em que descobrimos que a estrutura do carbono aromático é refletida em seus espectros de raios-X e que a estrutura poderia ser medida experimentalmente usando uma forma única de espectroscopia de raios-X no SSRL.

    Em nosso artigo mais recente, pegamos o que aprendemos em nosso trabalho anterior e aplicamos a materiais do mundo real para ver se poderíamos usar nossa técnica para diferenciá-los. Além de observar amostras de querogênio em uma variedade de tipos e maturidades térmicas, examinamos as formas de carbono de uma variedade de materiais novos - como algas e materiais vegetais - e de carvão e materiais à base de petróleo. Mostramos que todos esses materiais compartilham uma semelhança:para a porção dos materiais que são compostos de carbono aromático, esse carbono aromático sempre tem a mesma estrutura. Uma vez que a estrutura do carbono aromático controla suas propriedades e reatividades, esses resultados ajudam a explicar algumas das reações químicas que ocorrem na natureza, incluindo aqueles envolvidos na criação de petróleo.

    O que permitiu que você atingisse esses resultados?

    Sokaras:Ao longo dos anos, os pesquisadores desenvolveram uma série de técnicas que podem separar com sensibilidade as várias formas de carbono em sistemas modelo. Contudo, quando você está mudando para espécimes naturais do mundo real, as coisas podem ficar um pouco mais complicadas. Na verdade, tais amostras podem consistir em misturas não homogêneas complexas de materiais orgânicos e muitas vezes estar em um não sólido, fase de líquido espesso. Esses casos são difíceis de estudar usando técnicas mais tradicionais com requisitos de vácuo ultra-alto ou sensibilidade de superfície. No SSRL, nós desenvolvemos muito, ou alta energia, Técnicas de espalhamento inelástico de raios-X que nos permitem analisar quimicamente essas formas de carbono em amostras de ocorrência natural "como estão", fornecendo uma visão sobre a química de materiais orgânicos como o xisto.

    Quais são os próximos passos? Aonde você espera que esta pesquisa leve?

    Pomerantz:Esses estudos forneceram uma compreensão conceitual da estrutura de uma ampla classe de moléculas orgânicas e, esperançosamente, serão usados ​​no futuro para melhorar não apenas o processo de produção de petróleo e gás de xisto, mas também o processo de armazenamento de dióxido de carbono em xisto .

    Sokaras:De uma perspectiva SLAC, também estamos tentando ver como podemos envolver outros cientistas na comunidade de energia e demonstrar o valor de nossos métodos experimentais. Esperamos que, fornecendo informações importantes sobre compostos relacionados ao petróleo e mostrando como as técnicas que desenvolvemos aqui são aplicáveis ​​a problemas do mundo real nos quais as empresas de petróleo estão interessadas, podemos aumentar ainda mais nosso programa de ciências com foco em energia.


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