Comment les fluides circulent-ils dans des matériaux tels que la pierre, la terre et les os ? Les pores peuvent être petits et étroits, et les fluides peuvent se déplacer rapidement, souvent par petits sauts qui se terminent en quelques millisecondes. Il n'était pas possible auparavant d'en faire des vidéos au ralenti en 3D.

Les chercheurs ont désormais développé une méthode basée sur la tomodensitométrie (tomodensitométrie), un type d'imagerie largement utilisé dans les hôpitaux. Cela peut aider à améliorer notre compréhension du CO₂ le stockage, les batteries et les processus dans le corps tels que l’absorption des nutriments. L'étude est publiée dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences .

Créer un film 3D d'écoulements de fluides

Les fluides en matériaux poreux sont partout, aussi bien dans la nature que dans l'industrie. En géosciences et en sciences de l’environnement, comprendre comment les fluides se déplacent dans la roche est important pour l’approvisionnement en eau douce et le contrôle de la pollution. CO₂ le stockage dans les anciens réservoirs de pétrole et de gaz de la mer du Nord est une technologie prometteuse qui peut réduire les émissions de gaz à effet de serre, mais constitue un défi lors de l'injection de CO₂ dans le substrat rocheux est que l'eau salée qui s'y trouve déjà doit être déplacée.

Les matériaux poreux absorbent généralement les fluides. Les fluides mouillants se répartissent uniformément sur les matériaux, tandis que les fluides non mouillants forment des gouttelettes avec un contact minimal avec l'environnement. Le drainage implique un fluide non mouillant, généralement de l'air, déplaçant un fluide mouillant.

Le drainage dans la pierre poreuse est compliqué et les fluides ne s'écoulent pas uniformément au niveau microscopique, mais par à-coups, semblable à un processus de « gargouillis ». La pression s'accumule avant que les pores ne se remplissent soudainement dans ce qu'on appelle les sauts de Haines.

Ces sauts affectent la capacité des matériaux à transporter des fluides. C'est donc également important en ce qui concerne le CO₂ stockage et catalyseurs. Un logiciel informatique a été conçu pour modéliser les sauts de Haines, mais il doit être calibré avec des mesures. Les sauts de Haines n’ont pas encore été photographiés en 3D avec une résolution suffisamment bonne pour pouvoir être étudiés en détail. En effet, ils se déroulent à l'intérieur des matériaux, sur de très courtes distances (des nanomètres aux millimètres) et sur des périodes de temps très courtes (millisecondes).

Kim Robert Tekseth est doctorante à NTNU. Il étudie comment la microscopie à rayons X peut être utilisée pour étudier les fluides dans des matériaux poreux. Les scientifiques du monde entier se sont affrontés pour réaliser une vidéo 3D au ralenti de fluides dans la pierre. Le précédent « record du monde » était d’environ une seconde par pas de temps. Une équipe de recherche a battu ce record. Ils peuvent désormais effectuer ces mesures environ 1 000 fois plus rapidement. À 0,5 milliseconde par pas, l'écoulement du fluide peut être étudié en détail en 3D.

Repenser l'ensemble du processus

En utilisant un scanner ordinaire, l'échantillon doit être pivoté de 180° pour créer chaque image 3D. Cela limite le taux d’imagerie, ce qui signifie qu’ils ont dû repenser l’ensemble du processus. La solution consistait à rendre reproductible l’écoulement à travers le matériau poreux. Les chercheurs ont réalisé un petit échantillon de verre fritté. L’eau et l’air peuvent circuler à plusieurs reprises à l’intérieur du verre, tandis que des centaines de milliers de rayons X sont pris sous différents angles. La méthode peut être illustrée en la comparant au saut en hauteur en athlétisme.

Imaginez que vous allez réaliser un film 3D d'un saut en hauteur professionnel. Plusieurs caméras peuvent être utilisées simultanément sous différents angles (mais cela est difficile à réaliser avec les rayons X). La clé est que chaque saut se déroule à chaque fois avec une technique presque identique. Cela vous permet d'enregistrer une série de sauts sous différents angles, et ces enregistrements peuvent ensuite être compilés en un seul film 3D. Ceci est également appelé 4D-CT (3D + temps). La collaboration avec l'installation de rayons X (synchrotron) de l'ESRF en France a joué un rôle crucial.

Cela leur a permis de mesurer que le front liquide se déplace lors de sauts jusqu'à 200 mm/s, ce qui est très supérieur au débit moyen. Ils ont également constaté que lorsqu’un pore se remplissait soudainement lors d’un saut, le niveau de liquide était simultanément affecté dans tous les autres pores de l’échantillon. Les chercheurs affirment que cette étude est la première fois que cela est observé directement en 3D.

Les chercheurs affirment qu’à l’avenir, ils pourront également utiliser leur méthode dans d’autres processus 3D rapides. En plus des études de base sur les fluides, ils étudieront la catalyse et les batteries. Ils ont également utilisé l'intelligence artificielle pour analyser les mesures plus rapidement et mieux.