Verdensrekord hjelper oss å studere porøse materialer

Når vi drenerer en vanlig beholder, altså tømmer den for væske, faller væskestanden jevnt og trutt inntil karet er tomt. Dette er det enkelt å beregne og holde oversikt over.

Men når vi drenerer et porøst materiale, blir det isteden svært komplisert med mange forskjellige prosesser over lengdeskalaer og tidsskalaer. Porøse materialer er for eksempel jord, porøs stein eller visse typer biologisk vev.

Lagde 3D-film av væskestrømmer

Ved å bruke røntgenmikroskopi har vår forskergruppe klart å lage en 3D-film av hva som skjer på mikroskopisk nivå når væske renner ut av et porøst medium. Ikke nok med det, vi har samtidig satt «verdensrekord» ved å måle dette cirka 1000 ganger hurtigere enn noen har klart før. Så nå kan vi studere prosessen i sakte film.

I samarbeid med den internasjonale røntgenkilden ESRF i Grenoble har vi utviklet en ny høyhastighets CT-metode sånn at vi bedre kan forstå hvordan væsker strømmer inne i porøse medier.

Prosesser på porenivå går hurtig, og det har ikke tidligere vært mulig å avbilde disse med tilstrekkelig tidsoppløsning til å følge væskedynamikken i 3D. Med dette gjennombruddet er det nå mulig å måle og visualisere drenering av porøse materialer på poreskala.

• Les også: Plast skaper strøm av temperaturforskjeller

Viktig for blant annet medisin og CO₂-lagring

Flerfasestrømming i porøse materialer, altså væsketransport hvor flere ulike væsker er involvert, inngår i mange naturlige prosesser i geologi, biologi og medisin. Det inngår også i mange viktige industriprosesser i for eksempel katalyse og brenselceller.

I geo- og miljøvitenskap er væsketransport i porøse bergarter viktig for olje og gassektoren, men også for ferskvannsforsyning, avrenning av forurensning og lagring av radioaktivt avfall. CO₂-lagring i tidligere olje- og gassfelter i Nordsjøen er en lovende teknologi for å redusere klimagassutslipp, men en av utfordringene med å injisere CO₂ i havbunnen er at CO₂ må fortrenge det saltholdige vannet som allerede er i de porøse bergartene.

Professor Dag Werner Breiby og stipendiat Kim Robert Tekseth med prøvecellen som de brukte til å studere drenering. Foto: Per Henning, NTNU VIS MER

Drenering i porøse materialer foregår som surkling

En væske i kontakt med et materiale kan være enten fuktende, som betyr at væsken foretrekker å spre seg utover, eller ikke-fuktende, som medfører at den foretrekker å isolere seg i dråper med minimal kontakt med omgivelsene.

Drenering innebærer at en ikke-fuktende væske, typisk luft, fortrenger en fuktende væske. Selv om drenering kanskje høres enkelt ut, er drenering av et porøst materiale en svært komplisert prosess som på mikroskopisk nivå ikke går kontinuerlig, men i rykk og napp, eller med «surkling».

Trykket bygges gradvis opp rundt små porer før de plutselig tømmes for den fuktende væsken. Dette er såkalte Haines-sprang, oppkalt etter William B. Haines, som først beskrev dette fenomenet i 1930.

Haines-sprang kan påvirke materialers evne til å transportere væske, og dermed indirekte for eksempel kapasiteten til CO₂-lagring eller virkningsgraden til porøse katalysatorer.

• Les også: Glassfiber som kan mer enn å overføre lys

1000 ganger raskere bilder

Datamodeller er utviklet for å modellere Haines-sprang, men de krever kalibrering mot eksperimentelle målinger. Ettersom Haines-sprang foregår inni generelt ugjennomsiktige porøse materialer, på kort lengdeskala og kort tidsskala, har de aldri tidligere blitt avbildet i 3D med tilstrekkelig tidsoppløsning til å følge dynamikken i detalj.

Kim Robert Tekseth er stipendiat i forskningsgruppen til professor Dag W. Breiby ved Institutt for fysikk, NTNU, som forsker på hvordan røntgenmikroskopi kan forbedres og skreddersys til å studere funksjonelle materialer og prosesser.

I doktorarbeidet forsket Tekseth på hvordan væskedynamikk i porøse materialer kan avbildes med avansert tidsoppløst røntgenmikroskopi. Eksempel på naturlige porøse materialer er stein, sement og bein. Porøse materialer suger typisk til seg væske, men det er store variasjoner i adferd for forskjellige material-væske kombinasjoner.

Flere forskningsgrupper internasjonalt har i praksis konkurrert om å lage 3D-filmer av Haines-sprang med best mulig tidsoppløsning. Mens den tidligere «verdensrekorden» har vært en tidsoppløsning på om lag ett sekund, har forskningsgruppen ved NTNU knust denne ved å øke oppløsningen omtrent 1000 ganger.

Med 0,5 ms tidsoppløsning i 3D kan vi studere væskedynamikken knyttet til Haines-sprang kvantitativt og i detalj, i stedet for å anslå verdier ved å sammenligne før- og etter- bilder, slik det har vært gjort tidligere.

Mot slutten av et Haines-sprang har en pore blitt fylt med inntrengende luft. Denne luften er her illustrert med grønt. Illustrasjon: NTNU VIS MER

Krevde nytenking

Vi måtte tenke nytt for å få til dette. Derfor sørget vi for å gjøre væskestrømningen gjennom det porøse materialet repeterbar.

En vesentlig del av forberedelsene var derfor å lage en liten, inert og statisk porøs prøve av sintrede glasskår, hvor vann og luft kunne drives sakte fram og tilbake gjentatte ganger mens vi samlet inn flere hundre tusen røntgenbilder fra forskjellige vinkler.

Ved hjelp av avanserte algoritmer satte vi dataene sammen til en 3D-film, også kjent som 4D-CT (3D+tid). Med tradisjonell CT må prøven roteres 180° for hvert tidssteg. Dette setter selvfølgelig store praktiske begrensninger.

Metoden kan vi illustrere ved å tenke på høydehopp fra friidrett. Tenk deg at du skal lage en 3D-film av et profesjonelt høydehopp.

Istedenfor å ta bilder fra mange vinkler samtidig (som er vanskelig å gjøre med røntgen), kan en annen måte være å utnytte at høydehopp er svært perfeksjonert og forløper med nær identisk teknikk hver gang. Dermed kan vi i ro og mak gjøre gjentatte filmopptak fra forskjellige ståsted, og etterpå nitidig og kritisk sette dem sammen til én 3D-film.

Samarbeidet med Dr. Bratislav Lukic og det verdensledende CT-instrumentet ID19 ved ESRF var viktig for å lykkes med det krevende eksperimentet.

Anvendbar på flere områder

Vi forventer at metoden kan anvendes også på andre prosesser som både går hurtig og hvor det er behov for 3D-informasjon. Å ta i bruk kunstig intelligens i arbeidet er for oss en åpenbar fortsettelse, og noe som vi bør utvikle videre.

For å bedre beskrive og forutsi væskestrømmer i realistiske bergarter, vil vi forske videre på koblingen mellom lokale variasjoner på porenivå og væskedynamikken vi observerer. Eksempelvis består mange bergarter av korn av forskjellige mineraler, og disse mineralene vil ha ulike fuktegenskaper, som altså påvirker hvordan væskene strømmer.

I tillegg til studier av væskestrømning som beskrevet her, forventer vi at teknikken også kan anvendes til studier innen hvordan myke materialer deformeres, men også interne transportprosesser i for eksempel katalyse, brenselceller og batterier under lading og utlading.

Norges Forskningsråd finansierte arbeidet. En fersk forskningsartikkel står nå i PNAS.

Referanse: Kim Robert Tekseth, Fazel Mirzaei, Bratislav Lukic, Basab Chattopadhyay, and Dag Werner Breiby. Multiscale drainage dynamics with Haines jumps monitored by stroboscopic 4D X-ray microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS). December 26, 2023, 121 (1) e2305890120 https://doi.org/10.1073/pnas.2305890120