Notre Dame-teamet använder EQ-SANS, vilket gör att de kan studera ett stort antal olika prover på en relativt kort tid. Upphovsman:ORNL/Genevieve Martin
University of Notre Dame forskare använder neutroner vid Department of Energy (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) för att studera hur specialiserade molekyler kan förbättra petroleumproduktionsprocesser, såväl som deras potentiella användningsområden inom avancerad solcellsteknologi.
"Oavsett vad du vill använda petroleum till - oavsett om det är bränsle, råvara, eller att göra syntetiska organiska kemikalier - du vill använda den lika effektivt, som kostnadseffektivt, och på ett så miljövänligt sätt som möjligt, "sa Peter Kilpatrick, professor vid Notre Dame.
Specifikt, Kilpatrick och Ph.D. kandidaten McKay Rytting vill veta vilka effekter funktionaliserade molekyler som kallas petroporfyriner har på asfaltener - mörkfärgade, högmolekylära molekyler rikliga i tung råolja.
"Asfaltener orsakar alla slags problem i petroleumrelaterade processer. De fastnar vid rörväggar när du pumpar dem; de pluggar rören som används vid transport; och de producerar emulsioner, "sade Kilpatrick." Nästan alla utmaningar i samband med petroleumförädling kommer från asfaltener. "
På samma sätt som järn binder till hemoglobin - som transporterar syre från våra lungor genom blodomloppet - är petroporfyriner ansvariga för att binda tungmetaller i organiska system för att katalysera nödvändiga reaktioner. Ungefär som asfaltener, petroporfyriner är också relativt rikliga i tungt råolja.
"Porfyriner är typ av nyckeln till att ta reda på hur petroleum kom från livet - från organiska livsformer som dog, "sa Rytting." När forskare började hitta porfyrinmolekyler i petroleum, de började ansluta dem med hemoglobin och klorofyll, och det var så vi gjorde anslutningen. "
McKay Rytting, en doktorand vid Notre Dame, förbereder petroporfyrinprover i hydrerade/deutererade lösningsmedelsblandningar som senare kommer att injiceras i provceller för analys. Upphovsman:ORNL/Genevieve Martin
Porfyrinmolekyler är ljust färgade - några lila, grön, blå, och så vidare - och varje variant har olika funktioner. Deras ringformade struktur gör att olika atomer kan "hänga av kanterna" på porfyrinringen som är gemensam för alla porfyriner; och dessa grupper är det som bestämmer molekylens egenskaper såsom totalfärg, hur de absorberar ljus, och hur de interagerar med asfaltener.
Många år sedan, Kilpatrick och hans team utvecklade en metod för att rena och extrahera petroporfyriner från petroleum. De tror att de mer funktionaliserade petroporfyrinerna kan användas för att mildra många av de problematiska beteenden som uppstår från asfaltenaggregation.
Eftersom neutroner är mycket genomträngande och känsliga för ljuselement som väte, de kan användas för att spåra enskilda atomer och molekylära funktionella grupper inom täta strukturer för att avslöja hur de fungerar.
Notre Dame-professor Peter Kilpatrick gör justeringar av EQ-SANS-provlastaren som förberedelse för neutronundersökning. Upphovsman:ORNL/Genevieve Martin
Den utökade Q-Range Small-Angle Scattering Diffractometer, eller EQ-SANS-instrumentet, vid ORNL:s Spallation Neutron Source - en DOE Office of Science User Facility - gör att laget kan studera ett stort antal prover för att bättre förstå hur petroporfyriner och asfaltener interagerar på molekylär nivå.
"Anledningen till att neutronspridning är perfekt för denna forskning är att vi kan variera mängden väte i vårt lösningsmedel genom att använda deutererade eller hydrerade lösningsmedel, som berättar hur mycket lösningsmedel som har absorberats av aggregatet. Vi tror att detta kommer att belysa effektivare bearbetningsmetoder och kanske till och med nya applikationer inom solceller, sa Rytting.
"Vi tror att dessa porfyriner har många andra användningsområden som ingen ens har tänkt på eftersom de aldrig har renat dessa molekyler från petroleum som vi har kunnat göra, "sade Kilpatrick." Neutroner är idealiska för att hjälpa oss att förverkliga deras potential. "
