Nanomechanika ujawnia tajniki skał osadowych
W ramach projektu TOMOTECH (Nanomechanics of natural materials from combining tomography and finite element modelling) połączono tomografię rentgenowską oraz modelowanie metodą elementów skończonych (FE) w nanoskali, aby prognozować stabilność klifów kredowych oraz pozostałą ropę w wyczerpujących się złożach. Jeden z badaczy wytypował dwa naturalne materiały porowate, na podstawie których przeprowadzono test prawidłowości metody. Jednym z nim był mikrostrukturalny materiał biologiczny w postaci skorupy jeżowca rzędu spatangoida oraz nanostrukturalny materiał geologiczny w postaci kredy. Aby wykonać dwuwymiarowy rzut wewnętrznej struktury próbek przy pomocy promieniowania rentgenowskiego, zastosowano technikę tomografii. Poprzez obrócenie próbki i wykonanie dużej liczby rzutów, możliwe było zrekonstruowanie wewnętrznej porowatości próbki w trzech wymiarach. Model trójwymiarowy zaimportowano do oprogramowania opartego na metodzie elementów skończonych, a także obliczono sztywność różnych części skorupy jeżowca. Kreda to biogeniczny kamień wapienny powstały z pozostałości pradawnych glonów. Może ona służyć zarówno jako formacja wodonośna, jak i złoże węglowodorów. Ze względu na niewielki rozmiar ziaren kredy, do zbadania próbki potrzebna była większa rozdzielczość, co oznaczało konieczność zastosowania synchrotronowej tomografii promieniowania rentgenowskiego. Przeprowadzono mechaniczne symulacje przy zastosowaniu tego samego podejścia co przy jeżowcu rzędu spatangoida, co ukazało, że kreda jest znacznie miększa niż skorupa jeżowca o jednakowej porowatości. Co więcej, wraz ze wzrostem porowatości następuje gwałtowny spadek jej właściwości elastycznych. Do symulacji dyfuzji cząsteczek w sieci porów kredy w skali nano wykorzystano także technikę znaną jako dynamika cząsteczek dyssypatywnych (DPD). Metoda ta pozwoliła zmierzyć współczynnik labiryntowości próbek kredy, ukazując, jak bardzo poskręcany był system porów, a także posłużyła do właściwego określenia przepuszczalności. Przepuszczalność to ważny czynnik w zdatności skały do wspomagania przepływu płynu w produkcji ropy lub przepływu wód gruntowych. Wyniki symulacji DPD pokazały, że pory kredy były bardzo wąskie, co znacznie spowalniało przepływ większych składowych ropy. Ponadto zaobserwowano, że może dojść do zablokowania cząsteczek na powierzchni. Projekt TOMOMECH z powodzeniem połączył symulacje przy pomocy tomografii i metody elementów skończonych, uzyskując w ten sposób właściwości materiałów. Wyniki znajdą zastosowanie w działaniach ochronnych linii brzegowej, przemyśle naftowym i sektorze materiałów biomimetycznych. Projekt dostarczył ważnych informacji na temat związku między strukturą a funkcją materiałów biomineralizowanych.
Słowa kluczowe
Skała osadowa, TOMOTECH, nanomechanika, modelowanie metodą elementów skończonych, tomografia rentgenowska, kreda, spatangoida, formacja wodonośna, złoża węglowodoru, dynamika cząsteczek dyssypatywnych
