Los materiales porosos suelen absorber fluidos. Los fluidos humectantes se distribuyen uniformemente sobre los materiales, mientras que los fluidos no humectantes forman gotas en contacto mínimo con el entorno. El drenaje implica un fluido no humectante, generalmente aire, que desplaza un fluido humectante.

El drenaje en piedra porosa es complicado y los fluidos no fluyen uniformemente a nivel micro, sino a trompicones, similar a un proceso de "gorgoteo". La presión aumenta antes de que los poros se llenen repentinamente formando los llamados saltos de Haines.

Estos saltos afectan la capacidad de los materiales para transportar fluidos. Por lo tanto, esto también es importante en relación con el CO₂ almacenamiento y catalizadores. Se ha diseñado un software para modelar los saltos de Haines, pero es necesario calibrarlo con mediciones. Los saltos de Haines aún no se han fotografiado en 3D con una resolución suficientemente buena para poder estudiarlos en detalle. Esto se debe a que tienen lugar en el interior de materiales, en distancias muy cortas (de nanómetros a milímetros) y en periodos de tiempo muy cortos (milisegundos).

Kim Robert Tekseth es estudiante de doctorado en NTNU. Está estudiando cómo se puede utilizar la microscopía de rayos X para estudiar fluidos en materiales porosos. Científicos de todo el mundo han estado compitiendo para hacer un vídeo 3D en cámara lenta de fluidos en piedra. El anterior "récord mundial" era de aproximadamente un segundo por paso de tiempo. Un equipo de investigación ha batido este récord. Ahora pueden realizar estas mediciones unas 1.000 veces más rápido. A 0,5 milisegundos por paso, el flujo de fluido se puede estudiar en detalle en 3D.

Repensar todo el proceso

Utilizando una TC normal, la muestra debe girarse 180° para crear cada imagen 3D. Esto limita la velocidad de obtención de imágenes, lo que significa que tuvieron que repensar todo el proceso. La solución fue hacer que el flujo a través del material poroso fuera repetible. Los investigadores fabricaron una pequeña muestra de vidrio sinterizado. El agua y el aire pueden moverse repetidamente hacia adelante y hacia atrás dentro del vidrio, mientras se toman cientos de miles de rayos X desde diferentes ángulos. El método se puede ilustrar comparándolo con el salto de altura en el atletismo.

Imagina que vas a realizar una película en 3D de un salto de altura profesional. Se pueden utilizar varias cámaras al mismo tiempo desde diferentes ángulos (pero esto es difícil de hacer con los rayos X). La clave es que cada salto se realiza con una técnica casi idéntica cada vez. Esto le permite grabar una serie de saltos desde diferentes ángulos y estas grabaciones pueden luego compilarse en una única película 3D. Esto también se llama 4D-CT (3D + tiempo). La colaboración con la instalación de rayos X (sincrotrón) ESRF en Francia jugó un papel crucial.

Esto les permitió medir que el frente de líquido se mueve durante los saltos hasta 200 mm/s, lo que es mucho más que el caudal medio. También vieron que cuando un poro se llenaba repentinamente durante un salto, el nivel de líquido se veía afectado simultáneamente en todos los demás poros de la muestra. Los investigadores dicen que este estudio es la primera vez que esto se observa directamente en 3D.

Los investigadores afirman que en el futuro también podrán utilizar su método en otros procesos rápidos en 3D. Además de los estudios básicos de fluidos, estudiarán catálisis y baterías. También han utilizado inteligencia artificial para analizar las mediciones más rápido y mejor.

Más información: Kim Robert Tekseth et al, Dinámica de drenaje multiescala con saltos de Haines monitoreados mediante microscopía estroboscópica de rayos X 4D, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI:10.1073/pnas.2305890120

Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias

Proporcionado por la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología