Milhões de barris de petróleo são produzidos diariamente a partir de reservatórios de xisto, mas uma quantidade significativa permanece intocada, presa em poros de tamanho molecular em nanoescala. Os modelos atuais de reservatórios não podem prever o comportamento ou a recuperação do petróleo nessa escala, portanto, as empresas não podem estimar com precisão os valores de produção para investidores financeiros.
Os pesquisadores da Texas A&M University construíram e testaram (potencialmente) a menor plataforma de pesquisa lab-on-a-chip (LOC) com tampo de vidro em escala nanopore para investigar comportamentos complexos de fluidos em nanoescala para que pudessem calculá-los.

Dr. Hadi Nasrabadi, Dr. Debjyoti Banerjee e seus alunos de pós-graduação, Qi Yang e Ran Bi, co-projetaram o LOC ultra-minúsculo e o mandaram fabricar nas instalações da A&M no Texas, como a AggieFab Nanofabrication Facility e o Microscopy and Imaging Center. O dispositivo permite que eles estudem e registrem visualmente o líquido para vapor e de volta para a fase líquida, as mudanças de óleo e outros elementos passam em uma escala semelhante às condições em um reservatório de xisto.

"Esta foi a primeira vez que fiz um projeto em que os representantes da empresa estavam mais interessados ​​nas equações que descobrimos do que nos dados experimentais que produzimos", disse Banerjee, o James J. Cain '51 Faculty Fellow I no J. Mike Walker '66 Departamento de Engenharia Mecânica. “É um exemplo bizarro de como as equações termodinâmicas podem afetar o preço das ações de uma empresa. empréstimo a uma determinada taxa de juros."

Por que a mudança de fase é importante

LOCs de volume de fluido minúsculos independentes são comuns hoje em dia, como kits de teste de anticorpos COVID-19 domésticos ou monitores de açúcar no sangue. No entanto, a aplicação de LOCs à pesquisa de petróleo é rara e levou várias etapas para este projeto.

Nasrabadi e Banerjee começaram com canais de teste de 50 nanômetros (nm) de diâmetro em seus LOCs antes de trabalhar para canais de 2 nm de diâmetro, que são ligeiramente menores que a largura de uma fita de DNA. Nesta escala, combinando camadas de xisto apertadas, o petróleo reage às flutuações de temperatura, pressão e confinamento vibrando com mudanças termodinâmicas peculiares de fluido para gás e vice-versa. Como a produção de petróleo a partir de reservatórios de xisto não convencionais ainda é um processo de aprendizado, essas mudanças são em grande parte inexploradas, mas impactam a recuperação de petróleo e afetam a confiança do investidor financeiro.

"A indústria atualmente não está entregando o petróleo que estão estimando, e isso não é intencional, na minha opinião", disse Nasrabadi, professor de desenvolvimento de carreira da Aghorn Energy no Departamento de Engenharia de Petróleo de Harold Vance. "Nossa pesquisa mostra que o comportamento dos nanoporos influencia a produção, o que explica a discrepância de recuperação."

Problemas com sensibilidade

A pesquisa também teve problemas de entrega porque três desafios andavam de mãos dadas com a realização de experimentos em uma escala tão pequena. Primeiro, os pesquisadores tiveram que aprender e implementar a microscopia de força atômica para caracterizar o canal do LOC, já que 2 nm é menor que o comprimento de onda da luz visível, e o canal precisava ser inspecionado e medido com precisão. Em segundo lugar, eles rapidamente aprenderam que certas condições, como a umidade do ar ou a passagem de um carro pelo prédio, podem causar perturbações ou vibrações suficientes para prejudicar os resultados dos experimentos. Terceiro, obter imagens das reações peculiares de mudança de fase provou ser difícil porque a câmera precisava de um certo número de fótons ou partículas de luz fundamentais presentes. Pequenos ajustes eram constantemente necessários para melhorar as gravações do experimento.

Demorou cerca de dois anos para a pesquisa produzir imagens diretas capturadas digitalmente que auxiliaram os estudos de observação de transições de líquido para vapor para líquido em uma escala que nunca havia sido explorada antes. Nasrabadi, Banerjee, Yang e Bi escreveram um artigo sobre o trabalho, que foi publicado por Langmuir em agosto de 2022.

Os experimentos foram feitos em pressões de até 100 libras por polegada quadrada (psi), mas os pesquisadores esperam aumentar os níveis para corresponder às condições reais do reservatório, que podem variar de 1.000 a 5.000 psi. Eles também esperam aumentar as temperaturas para mais de 300 graus Fahrenheit. Esses parâmetros mais altos foram possíveis com LOCs contendo canais de escala de 10 nm, mas o chip de 2 nm precisará de algumas modificações de design primeiro.

“Também queremos variar o design do LOC para replicar as condições de formação de xisto, como o uso de canais gravados que imitam as irregularidades dentro da rocha”, disse Nasrabadi.

Aplicações além do petróleo

Banerjee já trabalhou no Vale do Silício, onde recebeu 17 patentes e comercializou plataformas LOC para uma variedade de empresas iniciantes de biotecnologia e nanotecnologia. Ele notou fluxos irregulares de fluidos confinados em nanoescala, mas não tinha como identificar por que eles aconteciam.

Anos depois, conversas que Banerjee teve com Nasrabadi sobre os interessantes problemas de confinamento de fluidos em reservatórios de xisto desencadearam uma longa colaboração que levou ao projeto para o Instituto Crisman. O sucesso do projeto levou a outras conversas e ideias.

Banerjee acredita que a pesquisa completou o círculo porque as modificações que eles fizeram para diminuir a escala LOC abaixo do tamanho de uma única fita de DNA significam que uma melhor pesquisa de genoma ou material genético agora é possível. Mas o potencial não para por aí.

"Na escala de 2 nm, mesmo sob condições normais de pressão e temperatura, um líquido nanoconfinado pode apresentar propriedades semelhantes ao comportamento supercrítico", disse Banerjee. "E isso tem implicações importantes para nossa compreensão de fluidos supercríticos. Tais insights podem ter implicações profundas para a produção de energia, exploração espacial e aplicações de biotecnologia. É realmente notável." + Explorar mais

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