L'équipe de Notre Dame utilise EQ-SANS, ce qui leur permet d'étudier un grand nombre d'échantillons différents dans un laps de temps relativement court. Crédit :ORNL/Geneviève Martin
Des chercheurs de l'Université de Notre Dame utilisent des neutrons au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du Département de l'énergie (DOE) pour étudier comment des molécules spécialisées pourraient améliorer les processus de production de pétrole, ainsi que leurs utilisations potentielles dans les technologies photovoltaïques avancées.
"Peu importe pour quoi vous voulez utiliser le pétrole, qu'il s'agisse de carburant, matière première, ou fabriquer des produits chimiques organiques synthétiques - vous voulez l'utiliser aussi efficacement, aussi rentable, et de la manière la plus respectueuse de l'environnement possible, " a déclaré Peter Kilpatrick, professeur à Notre-Dame.
Spécifiquement, Kilpatrick et Ph.D. le candidat McKay Rytting veut savoir quels effets les molécules fonctionnalisées appelées pétroporphyrines ont sur les asphaltènes - de couleur foncée, molécules de haut poids moléculaire abondantes dans le pétrole brut lourd.
« Les asphaltènes causent toutes sortes de problèmes dans les procédés liés au pétrole. Ils collent aux parois des tuyaux lorsque vous les pompez ; ils bouchent les tuyaux utilisés dans le transport ; et ils produisent des émulsions, " a déclaré Kilpatrick. " Pratiquement tous les défis associés au traitement du pétrole proviennent des asphaltènes. "
Semblable à la façon dont le fer se lie à l'hémoglobine, qui transporte l'oxygène de nos poumons à travers la circulation sanguine, les pétroporphyrines sont responsables de la liaison des métaux lourds dans les systèmes organiques pour catalyser les réactions nécessaires. Tout comme les asphaltènes, les péttroporphyrines sont également relativement abondantes dans les bruts lourds.
« Les porphyrines sont en quelque sorte la clé pour comprendre comment le pétrole est né de la vie – à partir de formes de vie organiques qui sont mortes, " a déclaré Rytting. " Alors que les scientifiques ont commencé à trouver des molécules de porphyrine dans le pétrole, ils ont commencé à les connecter avec l'hémoglobine et la chlorophylle, et c'est ainsi que nous avons fait le lien."
McKay Rytting, un étudiant diplômé à Notre Dame, prépare des échantillons de pétroporphyrine dans des mélanges de solvants hydrogénés/deutérés qui seront ensuite injectés dans des cellules d'échantillons pour analyse. Crédit :ORNL/Geneviève Martin
Les molécules de porphyrine sont de couleur vive—certaines violettes, vert, bleu, et ainsi de suite, et chaque variation remplit des fonctions différentes. Leur structure en forme d'anneau permet à divers atomes de « pendre des bords » de l'anneau de porphyrine qui est commun à toutes les porphyrines ; et ces groupements sont ce qui détermine les propriétés de la molécule telles que la couleur globale, comment ils absorbent la lumière, et comment ils interagissent avec les asphaltènes.
Il y a plusieurs années, Kilpatrick et son équipe ont développé une méthode de purification et d'extraction des péttroporphyrines du pétrole. Ils pensent que les péttroporphyrines les plus fonctionnalisées pourraient être utilisées pour atténuer bon nombre des comportements problématiques résultant de l'agrégation des asphaltènes.
Parce que les neutrons sont très pénétrants et sensibles aux éléments légers tels que l'hydrogène, ils peuvent être utilisés pour suivre des atomes individuels et des groupes fonctionnels moléculaires au sein de structures denses afin de révéler leur fonctionnement.
Le professeur Peter Kilpatrick de Notre Dame effectuant des ajustements sur le chargeur d'échantillons EQ-SANS en vue de l'étude des neutrons. Crédit :ORNL/Geneviève Martin
Le diffractomètre de diffusion aux petits angles de la plage Q étendue, ou l'instrument EQ-SANS, à la source de neutrons de spallation de l'ORNL, une installation utilisateur du bureau scientifique du DOE, permet à l'équipe d'étudier un grand nombre d'échantillons afin de mieux comprendre comment les pétroporphyrines et les asphaltènes interagissent au niveau moléculaire.
"La raison pour laquelle la diffusion des neutrons est parfaite pour cette recherche est que nous pouvons faire varier la quantité d'hydrogène dans notre solvant en utilisant des solvants deutérés ou hydrogénés, qui nous indiquent la quantité de solvant absorbée par l'agrégat. Nous pensons que cela mettra en lumière des méthodes de traitement plus efficaces et peut-être même de nouvelles applications dans le photovoltaïque, " dit Rytting.
"Nous pensons que ces porphyrines ont beaucoup d'autres utilisations auxquelles personne n'a même pensé car elles n'ont jamais purifié ces molécules du pétrole comme nous avons pu le faire, " a déclaré Kilpatrick. " Les neutrons sont idéaux pour nous aider à réaliser leur potentiel. "
