Novo método consegue imagens 4D de fluidos nos poros
Perto do final de um salto de Haines, um poro foi preenchido com ar invasor. Este ar é mostrado em verde, enquanto o material circundante é cinza. Crédito:NTNU Um método baseado em TC (tomografia computadorizada) – um tipo de imagem amplamente utilizado em hospitais – pode ajudar a melhorar nossa compreensão do CO2 armazenamento, baterias e processos no corpo, como absorção de nutrientes.
Como os fluidos fluem em materiais como pedra, solo e ossos? Os poros podem ser pequenos e estreitos, e os fluidos podem se mover rapidamente, geralmente em pequenos saltos que terminam em milissegundos. Anteriormente, não era possível fazer vídeos 3D em câmera lenta disso.
Os pesquisadores desenvolveram agora um método baseado na TC (tomografia computadorizada) – um tipo de imagem amplamente utilizado em hospitais. Isso pode ajudar a melhorar nossa compreensão do CO2 armazenamento, baterias e processos no corpo, como absorção de nutrientes. O estudo foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences .
Criando um filme 3D de fluxos de fluidos
Os fluidos em materiais porosos estão por toda parte, tanto na natureza quanto na indústria. Nas geociências e nas ciências ambientais, compreender como os fluidos se movem através das rochas é importante para o abastecimento de água doce e o controle da poluição. CO2 o armazenamento em antigos reservatórios de petróleo e gás do Mar do Norte é uma tecnologia promissora que pode reduzir as emissões de gases de efeito estufa, mas um desafio ao injetar CO2 na rocha é que a água salgada que já existe deve ser deslocada. Visualização da dinâmica interfacial durante o salto de Haines H9 no texto principal. Observe como o ar intruso é redirecionado três vezes ao longo da dinâmica e como ele retorna no final. Crédito:Anais da Academia Nacional de Ciências (2023). DOI:10.1073/pnas.2305890120 Materiais porosos normalmente absorvem fluidos. Os fluidos umectantes se espalham uniformemente pelos materiais, enquanto os fluidos não umectantes formam gotículas com contato mínimo com o ambiente. A drenagem envolve um fluido não molhante, normalmente ar, deslocando um fluido molhante.
A drenagem em pedras porosas é complicada e os fluidos não fluem uniformemente no nível micro, mas aos trancos e barrancos, semelhante a um processo de 'gorgolejo'. A pressão aumenta antes que os poros preencham repentinamente os chamados saltos de Haines.
Esses saltos afetam a capacidade dos materiais de transportar fluidos. Portanto, isso também é importante em relação ao CO2 armazenamento e catalisadores. O software de computador foi projetado para modelar os saltos de Haines, mas precisa ser calibrado com medições. Os saltos de Haines ainda não foram visualizados em 3D com resolução suficiente para serem estudados em detalhes. Isto ocorre porque ocorrem dentro dos materiais, em distâncias muito curtas (nanômetros a milímetros) e em períodos de tempo muito curtos (milissegundos).
Kim Robert Tekseth é estudante de doutorado na NTNU. Ele está estudando como a microscopia de raios X pode ser usada para estudar fluidos em materiais porosos. Cientistas de todo o mundo têm competido para fazer um vídeo 3D em câmera lenta de fluidos em pedra. O 'recorde mundial' anterior era de aproximadamente um segundo por intervalo de tempo. Uma equipe de pesquisa quebrou esse recorde. Agora eles podem fazer essas medições cerca de 1.000 vezes mais rápido. A 0,5 milissegundos por passo, o fluxo de fluido pode ser estudado detalhadamente em 3D. Visão geral experimental. Crédito:Anais da Academia Nacional de Ciências (2023). DOI:10.1073/pnas.2305890120 Repensando todo o processo
Usando TC normal, a amostra deve ser girada 180° para criar cada imagem 3D. Isso limita a taxa de geração de imagens, o que significa que eles tiveram que repensar todo o processo. A solução foi tornar repetível o fluxo através do material poroso. Os pesquisadores fizeram uma pequena amostra de vidro sinterizado. Água e ar podem ser repetidamente conduzidos para frente e para trás dentro do vidro, enquanto centenas de milhares de raios X são obtidos de diferentes ângulos. O método pode ser ilustrado comparando-o ao salto em altura no atletismo.
Imagine que você vai fazer um filme 3D de um salto em altura profissional. Várias câmeras podem ser usadas ao mesmo tempo em ângulos diferentes (mas isso é difícil de fazer com raios X). A chave é que cada salto prossegue com uma técnica quase idêntica a cada vez. Isto permite gravar uma série de saltos de diferentes ângulos, e essas gravações podem então ser compiladas em um único filme 3D. Isso também é chamado de 4D-CT (3D + tempo). A colaboração com a instalação de raios X do ESRF (síncrotron) na França desempenhou um papel crucial.
Isso lhes permitiu medir que a frente líquida se move durante os saltos em até 200 mm/s, o que é muito superior à vazão média. Eles também viram que quando um poro se encheu repentinamente durante um salto, o nível do fluido foi afetado simultaneamente em todos os outros poros da amostra. Os pesquisadores dizem que este estudo é a primeira vez que isso foi observado diretamente em 3D.
Os pesquisadores afirmam que, no futuro, também poderão usar seu método em outros processos 3D rápidos. Além dos estudos básicos de fluidos, eles estudarão catálise e baterias. Eles também usaram inteligência artificial para analisar as medições de maneira mais rápida e melhor.
