Los investigadores de la Universidad de Notre Dame están utilizando neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) para estudiar cómo las moléculas especializadas podrían mejorar los procesos de producción de petróleo. así como sus usos potenciales en tecnologías fotovoltaicas avanzadas.

"No importa para qué desee utilizar el petróleo, ya sea combustible, materia prima o fabricar productos químicos orgánicos sintéticos:desea utilizarlos de la forma más eficiente, tan rentable, y de la forma más benigna posible para el medio ambiente, "dijo Peter Kilpatrick, profesor en Notre Dame.

Específicamente, Kilpatrick y Ph.D. El candidato McKay Rytting quiere saber qué efectos tienen las moléculas funcionalizadas llamadas petroporfirinas sobre los asfaltenos:de color oscuro, moléculas de alto peso molecular abundantes en el crudo pesado.

"Los asfaltenos causan todo tipo de problemas en los procesos relacionados con el petróleo. Se adhieren a las paredes de las tuberías cuando se bombean; taponan las tuberías que se utilizan en el transporte; y producen emulsiones, ", dijo Kilpatrick." Prácticamente todos los desafíos asociados con el procesamiento del petróleo provienen de los asfaltenos ".

De manera similar a cómo el hierro se une a la hemoglobina, que transporta el oxígeno de nuestros pulmones a través del torrente sanguíneo, las petroporfirinas son responsables de unir metales pesados ​​en los sistemas orgánicos para catalizar las reacciones necesarias. Al igual que los asfaltenos, Las petroporfirinas también son relativamente abundantes en el crudo pesado.

"Las porfirinas son una especie de clave para descubrir cómo el petróleo proviene de la vida, de formas de vida orgánicas que murieron, ", dijo Rytting." A medida que los científicos comenzaron a encontrar moléculas de porfirina en el petróleo, comenzaron a conectarlos con hemoglobina y clorofila, y así es como hicimos la conexión ".

Las moléculas de porfirina son de colores brillantes, algunas de color púrpura, verde, azul, y así sucesivamente, y cada variación cumple funciones diferentes. Su estructura en forma de anillo permite que varios átomos "cuelguen de los bordes" del anillo de porfirina que es común a todas las porfirinas; y esas agrupaciones son las que determinan las propiedades de la molécula, como el color general, cómo absorben la luz, y cómo interactúan con los asfaltenos.

Muchos años atrás, Kilpatrick y su equipo desarrollaron un método para purificar y extraer petroporfirinas del petróleo. Creen que las petroporfirinas más funcionalizadas podrían usarse para mitigar muchos de los comportamientos problemáticos que surgen de la agregación de asfaltenos.

Debido a que los neutrones son altamente penetrantes y sensibles a elementos ligeros como el hidrógeno, se pueden usar para rastrear átomos individuales y grupos funcionales moleculares dentro de estructuras densas para revelar cómo funcionan.

El difractómetro de dispersión de ángulo pequeño de rango Q extendido, o el instrumento EQ-SANS, en la fuente de neutrones de espalación de ORNL, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, permite al equipo estudiar una gran cantidad de muestras para comprender mejor cómo las petroporfirinas y los asfaltenos interactúan a nivel molecular.

"La razón por la que la dispersión de neutrones es perfecta para esta investigación es que podemos variar la cantidad de hidrógeno en nuestro solvente usando solventes deuterados o hidrogenados, que nos dicen cuánto solvente ha sido absorbido por el agregado. Creemos que esto arrojará luz sobre métodos de procesamiento más eficientes y tal vez incluso nuevas aplicaciones en energía fotovoltaica. "dijo Rytting.

"Creemos que estas porfirinas tienen muchos otros usos en los que nadie ha pensado porque nunca han purificado estas moléculas del petróleo de la forma en que hemos podido hacerlo". ", dijo Kilpatrick." Los neutrones son ideales para ayudarnos a realizar su potencial ".