تقنيات التصنيع microfluidic لاختبار الضغط العالي من نقل رغوة CO2 فوق الحرجة الدقيقة في الخزانات غير التقليدية المكسورة
July 2nd, 2020
تصف هذه الورقة بروتوكولًا إلى جانب دراسة مقارنة لتقنيتين لتلفيق الميكروفلوري ، وهما التصوير الضوئي / النقش الرطب / الترابط الحراري والحفر الانتقائي الناجم عن الليزر (SLE) ، المناسب لظروف الضغط العالي. وتشكل هذه التقنيات منابر تمكينية للمراقبة المباشرة لتدفق السوائل في وسائط بديلة مُخرِكة ونظم مفككة في ظروف المكامن.
هذا البروتوكول هو جهد تعاوني متعدد التخصصات بين جامعة كانساس وجامعة وايومنغ. كان لدينا حاجة لاختبار لدينا براءة اختراع، polyelectrolyte الجسيمات النانوية المعقدة باستخدام microfluidics الضغط العالي. وقد بدأ جهد تعاوني بين مجموعتنا البحثية ومجموعة أبحاث الدكتور أريانا للاستفادة من أحدث مرافقه.
ونود أن نُقر وننو ونرحب بتمويل جزء من هذا المشروع، ونشكر برنامج التعليم العالي أو برنامج الإنعاش على توفير التسهيلات والدعم اللازمين لهذا المشروع. وبالإضافة إلى ذلك، كان هذا العمل مدعوماً جزئياً من قبل مركز أبحاث حدود الطاقة ومركز الطاقة الممول من وزارة الطاقة. هذا البروتوكول وتطبيقه على وسائل الإعلام المعقدة البديلة وظروف الضغط العالي ، هو نتيجة للتعاون بين مجموعتين بحثيتين واحدة من جامعة وايومنغ والأخرى من جامعة كانساس.
تفاصيل هذا البروتوكول، وإجراء تصنيع لمنصة قوية microfluidic في غياب مرافق غرفة نظيفة. تمكن هذه المنصة التصور المباشر للتدفق في هندستها المعقدة في ظل ظروف الضغط العالي. ويمكن استخدام التقنية الموصوفة لسن شبكات القنوات المعقدة في ركائز زجاجية تحاكي هياكل من وسائط تحت سطح الأرض وتحمل ظروف الضغط العالي التي شهدتها أثناء استخدام ثاني أكسيد الكربون وتخزينه.
ويمكن استخدام هذه الطريقة لتوفير نظرة ثاقبة في التقاطعات ونقل السوائل المعقدة في وسائل غير قابلة للاختناق في سياق CCUS. عند تنفيذ هذا البروتوكول المرضى والحذر الشديد مطلوبة للحد من خطر الإصابة البدنية والفشل في عملية التصنيع. عرض توضيحي مرئي من هذا الأسلوب تمكين الاتصال الفعال من الخطوات الهامة في التنفيذ بنجاح.
تبدأ بصب كمية كافية من الكروم محلول النقش في القارص وتسخينه إلى ما يقرب من 40 درجة مئوية. ثم ضع القناع مباشرة على جانب الركيزة البورسليكات التي يتم تغطيتها بالكروم ومقاومة الصورة. نقل نمط هندسي في طبقة مقاومة الصورة من خلال تعريض كومة من الركيزة والقناع لضوء الأشعة فوق البنفسجية.
إزالة قناع الصورة وكومة الركيزة من مرحلة الأشعة فوق البنفسجية ثم إزالة قناع الصورة وغمر الركيزة والمطور الحل لمدة 40 ثانية تقريبا. تتالي شطف الركيزة عن طريق تدفق المياه الأيونية على رأس الركيزة وعلى جميع أسطحها على الأقل ثلاث مرات. بعد السماح الركيزة لتجف، غمره في الكروم محمّى مسبقا نخر لمدة 40 ثانية تقريبا وبالتالي نقل نمط من مقاومة الصورة إلى طبقة الكروم.
إزالة الركيزة من المحلل، تتالي شطفه بالماء غير المؤين والسماح لها لتجف. باستخدام فرشاة، وتطبيق عدة طبقات من HMDS على الوجه المكشوف من الركيزة والسماح لها لتجف. تطبيق طبقة واحدة من مقاومة الصورة على رأس التمهيدي، ثم وضع الركيزة في فرن في 60 إلى 90 درجة مئوية لمدة 30 إلى 40 دقيقة.
بعد ذلك، ترك الركيزة نمط في حل النقش لفترة محددة سلفا من الوقت، استنادا إلى أعماق القناة المطلوبة. إزالة الركيزة من النقش، وذلك باستخدام زوج مقاومة المذيبات من الملاقط وتتالي شطفه بالماء الأيون. كشف الركيزة إلى محلول NMP مُحمّ إلى 65 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة تقريبًا لإزالة مقاومة الصورة.
تتالي شطفه مع الأسيتون تليها الإيثانول والمياه الأيونية. ضع الركيزة النظيفة في محفر الكروم وتسخينها إلى حوالي 40 درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة تقريبًا. ثم تميز عمق القناة باستخدام المسح الضوئي بالليزر، المجهري confocal.
وضع علامة على مواضع فتحة المدخل وثقوب المنفذ على الركيزة البورسليكات الفارغة عن طريق محاذاة لوحة الغلاف ضد الركيزة المحفورة. استخدام رملية جلخ الصغرى و 50 ميكرو متر أكسيد الألومنيوم micro sandblasting وسائل الإعلام الانفجار من خلال ثقوب في المواقع ملحوظ. تتالي شطف كل من الركيزة المحفورة ولوحة الغطاء مع المياه الأيونية.
ثم جلب واحد إلى أربعة حمض الكبريتيك الهيدروجين حمض الكبريتيك محلول البيرانا إلى غليان وغمر الركيزة ولوحة الغطاء في الحل لمدة 10 دقائق. بعد شطف الركيزة ولوحة الغطاء ، غمرها في النقش العازل لمدة 30 إلى 40 ثانية وشطفها مرة أخرى. بعد ذلك، غمر الركيزة وغطي صفيحة لمدة 10 دقائق في الماء من ستة إلى واحد، بيروكسيد الهيدروجين، محلول حمض الهيدروكلوريك الذي يتم تسخينه إلى حوالي 75 درجة مئوية.
اضغط على الركيزة وتغطية لوحة بإحكام ضد بعضها البعض في حين غمرت ثم إزالتها من الحل، تتالي شطف لهم وغمرها في المياه الأيونية. تأكد من أن الركيزة ولوحة الغلاف متصلة بإحكام ببعضها البعض، اضغط عليهما ضد بعضهما البعض وأزلهما بعناية من الماء. محاذاة الركيزة وغطاء لوحة بعناية في حين أنها مغمورة في المياه DI وتكرار الإجراء حتى لا يتم ملاحظة فقاعات الهواء بين البلدين.
ضع المكدس ركائز بين اثنين من السلس 1.5 سم سميكة لوحات السيراميك الزجاج للترابط. ضع اللوحات الخزفية الزجاجية بين لوحتين معدنيتين مصنوعتين من سبيكة x. التأكد من أن الرقائق الزجاجية وحامل السيراميك المعدني مركزها.
يد تشديد المكسرات ووضع حامل في غرفة فراغ لمدة 60 دقيقة في حوالي 100 درجة مئوية. ثم إزالة حامل من الغرفة وتشديد بعناية المكسرات. ضع الحامل داخل الفرن ونفذ برنامج تدفئة وفقًا لاتجاهات المخطوطات.
إزالة الجهاز microfluidic المستعبدين حراريا من الفرن وشطفه بالماء. ثم حمام سونيكات في حمض الهيدروكلوريك لمدة ساعة واحدة. ملء خزانات من ثاني أكسيد الكربون ومضخات المياه مع ما يكفي من السوائل للتجربة واستخدام حقنة لملء تراكم المياه المالحة وخطوط التدفق مع حل السطحي.
ضع الجهاز microfluidic المشبعة في حامل مقاومة للضغط وربط منافذ مدخل ومنافذ مخرج إلى خطوط مناسبة باستخدام أنابيب قطر داخلي 0.01 بوصة. زيادة درجة حرارة الحمام المتداولة ، والتي تتحكم في درجة حرارة خطوط محلول ملحي وثاني أكسيد الكربون إلى درجة الحرارة المطلوبة. زيادة الضغط الخلفي وضغط مضخة محلول ملحي في وقت واحد في خطوات تدريجية مع الحفاظ على التدفق المستمر من منفذ منظم الضغط الخلفي.
زيادة الضغط تصل إلى 7.38 ميجا باسكال ووقف المضخات. زيادة ضغط خط ثاني أكسيد الكربون إلى ضغط فوق 7.38 ميجا باسكال ثم فتح صمام ثاني أكسيد الكربون والسماح لثاني أكسيد الكربون الحرجة الفائقة مختلطة مع محلول السطحي الضغط العالي للتدفق من خلال خلاط مضمنة وتوليد رغوة. الانتظار حتى يتم تطوير تدفق بالكامل داخل الجهاز وتشبع القنوات، ورصد منفذ لبداية توليد الرغوة.
قم بتشغيل الكاميرا لالتقاط صور مفصلة للتدفق داخل القنوات. ثاني أكسيد الكربون نقل الرغوة والاستقرار في الجهاز microfluidic الطباعة الحجرية للأشعة فوق البنفسجية، خلال أول 20 دقيقة من توليد والعزلة يظهر هنا. انتقلت متعددة المراحل عبر الشقوق الدقيقة وتم توليد الرغوة من خلال الكسور الدقيقة.
ولدت الرغوة في الليزر الانتقائية الناجمة عن جهاز النقش microfluidic، بدءا من حالة المحيطة مع عدم وجود تدفق إلى رغوة متقدمة تماما، عظمى الحرجة ثاني أكسيد الكربون بمعدلات تدفق عالية ومنخفضة. تم تصوير توزيع الرغوة والاستقرار في ظل ظروف الخزان خلال أول 20 دقيقة من التوليد والعزلة. تم تحديد توزيع أقطار الفقاعة باستخدام صورة J.Quantification من المجهرية الرغوية تم تنفيذها باستخدام الصور الخام، وآخر الصور المعالجة ومعادلاتها binarised.
عند محاولة هذا العملية، من المهم أن تدرس بعناية نمط على طبقة الكروم تحت ضوء أصفر لضمان نقل النمط المطلوب بشكل صحيح. وتشمل الاختلافات من هذه الأساليب حقن الضغط العالي من النفط، وحلول البوليمر وbrines الملوحة منخفضة لتطوير فهم لفيزياء تدفق السوائل المعقدة من خلال التصور المباشر.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
نظرة عامة
تصف هذه الورقة بروتوكولاً إلى جانب دراسة مقارنة لتقنيات تصنيع مصغرة مناسبة لظروف الضغط العالي. تمكن هذه التقنيات من المراقبة المباشرة لتدفق السوائل في وسائط منفذة بديلة وأنظمة مكسورة تحت ظروف الخزان.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- المد المصغر
- أنظمة الضغط العالي
- ديناميكا السوائل
الخلفية
- التعاون بين جامعة كانساس وجامعة وايومنغ.
- تطوير بروتوكول لاختبار جسيمات النانو المعقدة لمركبات البولي إلكتروليت.
- استخدام أحدث المرافق للمد المصغر تحت الضغط العالي.
- دعم من NSF وDOE للمشروع.
غرض الدراسة
- لمقارنة تقنيات التصنيع المصغر.
- لتمكين الاختبار في ظروف الضغط العالي.
- لتسهل المراقبة المباشرة لتدفق السوائل في وسائط معقدة.
الطرق المستخدمة
- التصوير الضوئي
- التنميش الرطب
- الربط الحراري
- التنميش المحفز بالليزر الانتقائي (SLE)
النتائج الرئيسية
- مقارنة بين تقنيتين لتصنيع المصغر.
- تبرهن على قابليتها للاستخدام في ظروف الضغط العالي.
- رؤى حول سلوك تدفق السوائل في وسائط منفذة بديلة.
- تأسيس إطار تعاوني للبحوث المستقبلية.
الاستنتاجات
- توفر الدراسة بروتوكولات قيمة للمد المصغر تحت الضغط العالي.
- تظهر كلتا التقنيتين وعداً للتطبيقات المستقبلية في أبحاث ديناميكا السوائل.
- يعزز التعاون قدرات كلا مجموعتي البحث.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
This work addresses a critical gap in microfluidic platform capabilities by enabling direct visualization of multiphase flow under high-pressure and high-temperature conditions relevant to subsurface reservoirs. The described fabrication techniques provide a pathway for biopharma R&D teams to develop robust lab-on-chip systems for studying complex fluid behavior in surrogate permeable media, supporting mechanistic de-risking in early discovery and assay development workflows. By establishing protocols for chemically and physically resistant microfluidic devices, the study enhances predictive confidence in modeling transport phenomena that inform target validation and preclinical decision-making.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through direct observation of fluid-structure interactions in complex geometries under physiologically relevant pressure conditions.
- Operational Value: Supports biological de-risking by providing reproducible platforms for functional target validation in surrogate systems that mimic in vivo microenvironments.
- Predictive Value: Enhances portfolio triage by generating quantitative data on foam stability and transport dynamics that inform lead identification and mechanistic de-risking.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows by enabling high-resolution observation of multiphase flow at 10 µm resolution, critical for assay standardization.
- Operational Value: Addresses assay reproducibility and scalability through fabrication techniques that yield chemically resistant devices tolerant of extreme conditions, supporting reliable compound evaluation.
- Platform Reuse: Highlights scalability and platform reuse potential, as both photolithography/wet-etching and SLE techniques produce devices suitable for repeated high-pressure testing cycles.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Discusses disease relevance and translational biomarker alignment by linking scCO2 foam behavior observations to enhanced oil recovery processes, offering a proxy for studying complex fluid transport in heterogeneous media.
- Risk-Adjusted Advancement: Describes continuity from discovery through preclinical validation by establishing protocols that withstand reservoir-like conditions, enabling risk-adjusted decisions in preclinical model selection.
- Mechanistic De-risking: Focuses on predictive de-risking value when applied mechanistically, as the method clarifies pathway-level interactions in fractured systems under controlled variables.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from Early Discovery through Lead Identification to Preclinical work, supporting hypothesis testing, assay readiness, and quantitative analytics that inform translational continuity and enterprise reuse.
- Discovery Biology: Explains how the method supports hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking by enabling direct visualization of complex fluid interactions in surrogate permeable media under high pressure.
- Screening: Describes assay readiness, reproducibility, and quantitative outputs through the use of high-resolution monochromatic sensors and image-based analysis of foam microstructure and stability.
- Analytics: Highlights measurements, readouts, and statistical outputs such as bubble diameter distribution via ImageJ, enabling teams to compare conditions and assess foam generation under varying flow rates.
- Translational Research: Connects the method to preclinical continuity by linking observed scCO2 foam transport to reservoir-scale processes, supporting biomarker alignment in studies of fluid recovery from unconventional formations.
- Enterprise Reuse: Frames the method as a reusable capability rather than a single-use technique, as both fabrication pathways yield devices capable of withstanding repeated high-pressure and thermal cycling.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence, target validation, reduction of mechanistic ambiguity in multiphase flow studies.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of microfluidic platforms for high-pressure applications.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk through early-stage mechanistic insights.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on quantitative transport data generated under reservoir-mimicking conditions.
Implementation Considerations
- Required scientific expertise in microfluidic fabrication, photolithography, wet-etching, and thermal bonding processes.
- Instrumentation and analytical infrastructure needs including UV exposure systems, etching solutions, pressure-resistant holders, and high-resolution imaging systems.
- Cross-team standardization requirements for protocol execution across multidisciplinary teams involving chemistry, engineering, and imaging specialists.
- Adaptation considerations across model systems, noting that while optimized for glass substrates and scCO2 foam, the techniques may require modification for soft biological materials or aqueous-based assays.
- Practical limitations supported by source material: photolithography/wet-etching enables complex channel networks challenging for laser etching, but both techniques require careful handling of hazardous chemicals such as piranha solution and NMP during fabrication.
