Pesquisadores da Universidade de Notre Dame estão usando nêutrons no Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) para estudar como moléculas especializadas podem melhorar os processos de produção de petróleo, bem como seus usos potenciais em tecnologias fotovoltaicas avançadas.

"Não importa para que você queira usar o petróleo - seja combustível, matéria-prima, ou fabricando produtos químicos orgânicos sintéticos - você deseja usá-lo com a mesma eficiência, como custo eficaz, e da forma mais ambientalmente benigna possível, "disse Peter Kilpatrick, professor da Notre Dame.

Especificamente, Kilpatrick e Ph.D. o candidato McKay Rytting quer saber quais são os efeitos das moléculas funcionalizadas chamadas de petroporfirinas nos asfaltenos - de cor escura, moléculas de alto peso molecular abundantes em petróleo bruto pesado.

"Os asfaltenos causam todos os tipos de problemas em processos relacionados ao petróleo. Eles grudam nas paredes dos tubos quando você os bombeia; eles obstruem os tubos usados ​​no transporte; e produzem emulsões, "disse Kilpatrick." Praticamente todos os desafios associados ao processamento de petróleo vêm dos asfaltenos. "

Semelhante à forma como o ferro se liga à hemoglobina - que transporta o oxigênio de nossos pulmões pela corrente sanguínea - as petroporfirinas são responsáveis ​​pela ligação de metais pesados ​​em sistemas orgânicos para catalisar as reações necessárias. Muito parecido com asfaltenos, as petroporfirinas também são relativamente abundantes no petróleo pesado.

"As porfirinas são a chave para descobrir como o petróleo veio da vida - de formas de vida orgânicas que morreram, "disse Rytting." À medida que os cientistas começaram a encontrar moléculas de porfirina no petróleo, eles começaram a conectá-los com hemoglobina e clorofila, e foi assim que fizemos a conexão. "

As moléculas de porfirina são coloridas - algumas roxas, verde, azul, e assim por diante - e cada variação tem funções diferentes. Sua estrutura em forma de anel permite que vários átomos "fiquem pendurados nas bordas" do anel de porfirina que é comum a todas as porfirinas; e esses agrupamentos são o que determinam as propriedades da molécula, como a cor geral, como eles absorvem luz, e como eles interagem com asfaltenos.

Vários anos atrás, Kilpatrick e sua equipe desenvolveram um método de purificação e extração de petroporfirinas do petróleo. Eles acreditam que as petroporfirinas mais funcionalizadas podem ser usadas para mitigar muitos dos comportamentos problemáticos que surgem da agregação do asfalteno.

Como os nêutrons são altamente penetrantes e sensíveis aos elementos leves, como o hidrogênio, eles podem ser usados ​​para rastrear átomos individuais e grupos funcionais moleculares dentro de estruturas densas para revelar como eles funcionam.

O difratômetro de espalhamento de pequeno ângulo estendido Q-Range, ou o instrumento EQ-SANS, na Spallation Neutron Source do ORNL - um DOE Office of Science User Facility - permite que a equipe estude um grande número de amostras para entender melhor como as petroporfirinas e asfaltenos estão interagindo em nível molecular.

"A razão pela qual o espalhamento de nêutrons é perfeito para esta pesquisa é que podemos variar a quantidade de hidrogênio em nosso solvente usando solventes deuterados ou hidrogenados, que nos dizem quanto solvente foi absorvido pelo agregado. Achamos que isso vai lançar luz sobre métodos de processamento mais eficientes e talvez até novas aplicações em energia fotovoltaica, "disse Rytting.

"Achamos que essas porfirinas têm muitos outros usos que ninguém pensou, porque eles nunca purificaram essas moléculas do petróleo da maneira que fomos capazes de fazer, "disse Kilpatrick." Os nêutrons são ideais para nos ajudar a realizar seu potencial. "