La nano meccanica svela i segreti della roccia sedimentaria
Il progetto TOMOTECH (Nanomechanics of natural materials from combining tomography and finite element modelling) ha messo assieme tomografia a raggi X e modellazione a elementi finiti (FE) su scala nanoscopica per prevedere la stabilità delle scogliere di gesso e il petrolio residuo nei giacimenti che si stanno esaurendo. Il ricercatore ha selezionato due materiali porosi naturali per testare la validità di questo approccio. Questi erano un materiale biologico microstrutturato sotto forma dell’endoscheletro di Spatangidi, un tipo di riccio di mare, e materiale geologico nanostrutturato sotto forma di gesso. Per ottenere delle proiezioni 2D dei campioni della struttura interna è stata utilizzata la tomografia a raggi X. Ruotando il campione e ottenendo un gran numero di proiezioni è stato possibile ricostruire la porosità interna di un campione in tre dimensioni. Il modello 3D è stato importato in un software agli elementi finiti ed è stata calcolata la rigidità per differenti parti dell’endoscheletro del riccio di mare. Il gesso è un calcare biogenico formato dai fossili di antiche alghe e può fungere da bacino sia per una falda acquifera che per gli idrocarburi. A causa delle ridotte dimensioni dei granelli di gesso è stata necessaria una risoluzione più elevata per studiare il campione, che ha richiesto l’utilizzo della tomografia a raggi X di sincrotrone. Delle simulazioni meccaniche effettuate usando lo stesso approccio adottato per il riccio di mare hanno rivelato che il gesso è molto più debole rispetto all’endoscheletro del riccio di mare con uguale porosità. Inoltre, le sue proprietà elastiche diminuiscono rapidamente con l’aumentare della porosità. Inoltre è stata usata una tecnica conosciuta come dinamica dissipativa delle particelle (DPD) per simulare la diffusione delle particelle nella rete di pori su scala nanoscopica del gesso. Questo approccio ha misurato la tortuosità dei campioni di gesso, che ha mostrato quanto fosse contorto il sistema di pori ed è stata usata per determinare in modo corretto la permeabilità. La permeabilità è un fattore importante nella capacità di una roccia di promuovere il flusso di fluido nella produzione di petrolio o il flusso di acqua di falda. I risultati ottenuti dalle simulazioni DPD hanno mostrato che i pori del gesso sono molto piccoli, e rallentano quindi in modo significativo gli elementi più grandi del petrolio. Inoltre, le particelle si possono trovare bloccate sulla superficie. TOMOMECH ha avuto successo nel mettere assieme la tomografia e le simulazioni a elementi finiti, ricavando in tal modo le proprietà dei materiali. I risultati possono essere applicati alla protezione delle coste, all’industria petrolifera e ai materiali biomimetici. Esso ha inoltre fornito importanti conoscenze relative al rapporto tra struttura e funzione nei materiali biomineralizzati.
Parole chiave
Roccia sedimentaria, TOMOTECH, nano meccanica, modellazione elementi finiti, tomografia raggi X, gesso, Spatangidi, falda acquifera, bacino idrocarburi, dinamica dissipativa particelle
