Två forskare från Colorado State University undersöker hur nanopartiklar rör sig under jorden, kunskap som så småningom kan hjälpa till att förbättra återhämtningen i oljefält och upptäcka var hydrauliska frackingkemikalier färdas.

Vivian Li, biträdande professor vid institutionen för design och varuexponering, och William Sanford, docent vid institutionen för geovetenskap, försöker hitta mönster i hur vissa nanopartiklar rör sig under jorden. Om det lyckas, de skulle kunna träna nanopartiklarna att indikera när specifika kemikalier finns i underytan, inklusive de som finns i underjordiska vattenavlagringar. Dessa modifierade "smarta" nanopartiklar, känd som spårämnen, kan känna av höga pH-nivåer eller närvaron av hydrauliska frackingkemikalier.

I den inledande fasen av sin forskning, finansierat genom ett bidrag från CSU Water Center, Li och Sanford testar sin specialtillverkade kolnanopartikel för att se hur den rör sig genom marken. När de väl förstår hur partikeln färdas genom ett antal underjordiska miljöer, det kan så småningom användas för att söka efter kemikalier i några av jordens mest fientliga underjordiska miljöer.

"Vi vill också se hur nanopartiklar påverkar sammansättningen av den naturliga miljön och hur vissa grundämnen som finns i marken förändrar sammansättningen av nanopartikeln, " förklarade Li.

Temperatur, vattenmättnad, och jordens fysiska och kemiska sammansättning är de primära faktorerna som kan förändra nanopartiklars rörelse.

Kontroversiell praxis

Hydraulisk spräckning av brunnar har orsakat en politisk eldstorm de senaste åren, eftersom invånare i Colorado har ifrågasatt hälso- och säkerhetsriskerna med att injicera kemikalier i marken för att frigöra olja och naturgas. Det pågår fortfarande debatt om huruvida dessa kemikalier skadar miljön, och några frågor vart kemikalierna tar vägen efter injektion, fruktar att de kan förorena grundvattenförsörjningen.

Med hjälp av spårämnen, Li och Sanford har en teori om att de skulle kunna injicera partiklarna i jorden nära frackingplatser och tillåta dem att följa vattenflödesvägar under ytan till ett avstånd från injektionsstället. Om de återvunna spårämnena är fluorescerande, de reagerar på frackingkemikalien som de konstruerades för att upptäcka, som visar vägen dessa kemikalier färdades.

I fortsättningen på Lis postdoktorala arbete, dessa spårämnen kan också användas för att förbättra utvinningen av olja från reserver djupt inne i jorden, vilket skulle göra det möjligt för forskare att öka mängden olja som kan pumpas, sparar tid och pengar på att borra nya brunnar.

"Bara cirka 50 procent av jordens oljereservoarer tappas, ", sa Li. "Med potential att snabbt tömma de nuvarande oljereserverna, behovet av att förbättra oljeutvinningen och hitta de andra dolda 50 procenten blir oerhört viktigt."

Hårda förhållanden

Dock, dessa reservoarer ligger ofta mycket djupt i marken och kan vara hem för extrema förhållanden som gör det svårt för nanopartiklar att överleva. Många nanopartiklar som har utvecklats klarar inte av oljereservens höga salthalt och försämras i processen att hitta oljan. Dock, Li och Sanford tror att de har konstruerat en nanopartikel som både kan överleva i den tuffa miljön och behålla sina smarta förmågor under lång tid.

"Användningen av dessa nanopartiklar är potentiellt ganska omfattande, " förklarade Sanford. "Genom att skapa smarta partiklar kan vi se hur föroreningar är fördelade i underytan, återvinning av ekonomiska mineraler i vatten kan göras, och användningen inom oljeindustrin är mångfaldig."

Fortfarande i ett tidigt skede av forskningen, Li och Sanford patenterar sin nya nanopartikel och fortsätter att testa den som förberedelse för studier inom området.