Kırık Konvansiyonel Olmayan Rezervuarlarda Mikroölçekli Süperkritik CO2 Köpük Taşımanın Yüksek Basınçlı Testlerinde Mikroakışkan Üretim Teknikleri
July 2nd, 2020
Bu makalede, yüksek basınç koşullarına uygun iki mikroakışkan üretim tekniğinin karşılaştırmalı bir çalışması olan fotolitografi/ıslak gravür/termal yapıştırma ve Seçici Lazer kaynaklı Gravür (SLE) gibi karşılaştırmalı bir çalışma anlatılmaktadır. Bu teknikler, rezervuar koşullarında taşıyıcı anne ve kırık sistemlerde sıvı akışının doğrudan gözlemi için platformları oluşturmaktadır.
Bu protokol Kansas Üniversitesi ve Wyoming Üniversitesi arasında çok disiplinli bir işbirliği çabasıdır. Patentli, polielektrolit kompleks nano partiküllerimizi yüksek basınçlı mikroakışkanlar kullanarak test etmeye ihtiyacımız vardı. Ve araştırma grubumuz la Dr.Aryana'nın araştırma grubu arasında en son teknolojiye sahip tesislerinden yararlanmak için ortak bir çalışma başlattı.
NSF'ye bu projenin bir kısmını finanse ettiği için teşekkür etmek ve bu proje için gerekli olan tesis ve desteği sağladıkları için üçüncül veya kurtarma programına teşekkür ederiz. Buna ek olarak, bu çalışma kısmen CMCUF ve DoE tarafından finanse edilen Enerji Sınır Araştırma Merkezi tarafından desteklenmiştir. Bu protokol ve vekil karmaşık geçirbilebilir medya ve yüksek basınç koşulları için uygulama, iki araştırma grupları arasında bir işbirliği bir Wyoming Üniversitesi ve Kansas Üniversitesi'nden diğer bir sonucudur.
Bu protokol detayları, temiz oda tesisleri yokluğunda sağlam bir mikroakışkan platform için üretim prosedürü. Bu platform, yüksek basınç koşullarında karmaşık geometrilerde akışın doğrudan görselleştirilmesini sağlar. Açıklanan teknik, yüzey altı ortamlarından yapıları taklit eden ve CO2 kullanımı ve depolanması sırasında yaşanan yüksek basınç koşullarına dayanabilecek cam yüzeylerdeki karmaşık kanal ağlarını yaşlandırmak için kullanılabilir.
Bu yöntem, CCUS bağlamında geçirimsiz ortamda ki karmaşık sıvıların kesişmeleri ve taşınması hakkında bilgi sağlamak için kullanılabilir. Bu protokolü gerçekleştirirken hastalar ve aşırı dikkatli üretim sürecinde fiziksel yaralanma ve başarısızlık riskini en aza indirmek için gereklidir. Bu yöntemin görsel gösterimi, başarılı yürütülmesinde kritik olan adımların etkin bir şekilde iletilmesini sağlar.
Bir kabın içine yeterli miktarda krom gravür çözeltisi dökerek ve yaklaşık 40 santigrat dereceye Kadar ısıtın. Daha sonra maskeyi doğrudan krom ve fotoğraf direnci ile kaplı borosilikat substrat tarafına yerleştirin. Geometrik deseni, substrat yığınını ve maskeyi UV ışığına maruz bırakarak fotoğraf direnci katmanına aktarın.
Fotoğraf maskesini ve substrat yığınını UV aşamasından çıkarın ve fotoğraf maskesini çıkarın ve alt katmanı ve geliştirici çözümünü yaklaşık 40 saniye batırın. Basamaklı substrat, deiyonize su nın üzerine ve tüm yüzeylerinin üzerine en az üç kez akarak substratı durulayın. Substrat kurumasını sağladıktan sonra, önceden ısıtılmış krom etchant yaklaşık 40 saniye batırın böylece fotoğraftan krom tabakasına direnç desen aktarArak.
Çözeltiden substrat çıkarın, deiyonize su ile durulayın ve kurumasını bekleyin. Bir fırça kullanarak, substrat ın ortaya çıkarılan yüzüne birkaç kat HMDS uygulayın ve kurumasını bekleyin. Astar üstüne fotoğraf direnci bir tabaka uygulayın, sonra 30 ila 40 dakika boyunca 60 ila 90 santigrat derece bir fırında substrat yerleştirin.
Daha sonra, istenilen kanal derinliklerine bağlı olarak, önceden belirlenmiş bir süre için etchant çözeltisindeki desen alt tabakasını bırakın. Çözücüye dayanıklı cımbız ve basamaklı bir çift deiyonize su ile durulayın kullanarak, etchant gelen substrat çıkarın. Fotoğraf direncini kaldırmak için yaklaşık 30 dakika boyunca 65 santigrat dereceye önceden ısıtılmış NMP çözeltisine substratı maruz bırakın.
Cascade etanol ve deiyonize su ardından aseton ile durulayın. Krom etchant temiz substrat yerleştirin ve yaklaşık 40 derece santigrat yaklaşık bir dakika boyunca ısıtılır. Daha sonra lazer tarama, konfokal mikroskopi kullanarak kanal derinliği karakterize.
Kapak plakasını kazınmış substrata göre hizalayarak boş bir borosilikat alt tabakaüzerindeki giriş ve çıkış deliklerinin konumlarını işaretleyin. İşaretli yerlerdeki delikleri patlatmak için mikro aşındırıcı kum püskürtücü ve 50 mikro metre alüminyum oksit mikro kumlama ortamı kullanın. Basamaklı durulayın hem kazınmıştır substrat ve deiyonize su ile kapak plakası.
Sonra bir kaynatın ve 10 dakika boyunca çözelti içinde substrat ve kapak plakası batırmak için bir ila dört hidrojen peroksit sülfürik asit piranha çözeltisi getirin. Substrat ve kapak plakasını duruladıktan sonra 30-40 saniye tampon eterinde batırın ve tekrar durulayın. Daha sonra, yaklaşık 75 santigrat dereceye Kadar ısıtılan altı-bir su, hidrojen peroksit, hidroklorik asit çözeltisi 10 dakika boyunca substrat ve kapak plakası batırın.
Substrat ve kapak plakası birbirine sıkıca bastırın ve su altında kalarak çözeltiden çıkarın, durulayın ve deiyonize suya batırın. Substrat ve kapak plakasının birbirine sıkıca bağlı olduğundan emin olun, birbirlerine bastırın ve dikkatlice sudan çıkarın. Di su altında iken dikkatle substrat ve kapak plaka hizalayın ve ikisi arasında hava kabarcıkları gözlenene kadar prosedürü tekrarlayın.
Yapıştırma için iki düzgün 1,5 santimetre kalınlığında cam seramik plakalar arasında yığın yüzeyleri yerleştirin. Cam seramik plakaları alaşım x'ten yapılmış iki metalik plaka arasına yerleştirin. Cam gofretve seramik metalik tutucunun ortalanmış olduğundan emin olun.
El fındık sıkın ve yaklaşık 100 santigrat derece 60 dakika boyunca bir vakum odasında tutucu yerleştirin. Sonra odadan tutucu çıkarın ve dikkatle fındık sıkın. Tutucuyu bir fırının içine yerleştirin ve el yazması talimatlara göre bir ısıtma programı uygulayın.
Termal olarak bağlanmış mikroakışkan cihazı fırından çıkarın ve suyla durulayın. Sonra bir saat hidroklorik asit içinde sonikbir banyo. Karbondioksit ve su pompalarının tanklarını deney için yeterli sıvıyla doldurun ve tuzlu su akümülatörünü ve akış hatlarını yüzey aktif çözeltiyle doldurmak için bir şırınga kullanın.
Doymuş mikroakışkan cihazı basınca dayanıklı bir tutucuya yerleştirin ve giriş ve çıkış bağlantı noktalarını 0,01 inç iç çaplı boru kullanarak uygun hatlara bağlayın. Salamura ve karbondioksit hatlarının sıcaklığını istenilen sıcaklığa kadar kontrol eden sirkülasyon banyosunun sıcaklığını artırın. Geri basınç regülatörünün çıkışından sürekli akışı korurken kademeli adımlarla aynı anda geri basıncı ve tuzlu su pompası basıncını artırın.
Basıncı 7,38 mega pascal'a çıkarın ve pompaları durdurun. 7.38 mega pascal üzerinde bir basınç karbondioksit hattı basıncını artırmak sonra karbondioksit vanası açın ve süper kritik karbondioksit yüksek basınç yüzey aktif çözeltisi ile karışık bir inline karıştırıcı ile akmasına izin ve köpük oluşturmak. Cihazın içinde akış tam olarak gelişene ve kanallar doymuş olana kadar bekleyin, köpük üretimi başlangıcı için çıkış izleniyor.
Kanalların içindeki akışla ilgili ayrıntılı görüntüler yakalamak için kamerayı açın. Karbondioksit köpük taşıma ve UV litografi mikroakışkan cihaz istikrar, üretim ve izolasyon ilk 20 dakika boyunca burada gösterilmiştir. Çok fazlı mikro çatlaklar arasında hareket ve köpük mikro kırıklar yoluyla üretildi.
Köpük seçici bir lazer indüklenen gravür mikroakışkan cihaz, tam gelişmiş, süper kritik karbondioksit köpük yüksek ve düşük akış oranlarında hiçbir akış ile ortam durumundan başlayarak üretildi. Köpük dağılımı ve stabilitesi, üretim ve izolasyonun ilk 20 dakikasında rezervuar koşullarında görüntülendi. Kabarcık çaplarının dağılımı, köpük mikroyapısının j.Quantification görüntüsü kullanılarak ham görüntüler, işlenmiş görüntüler sonrası ve bunların binarised eşdeğerleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Bu pratik çalışırken, istenilen desenin doğru aktarıldığından emin olmak için sarı ışık altında krom tabakasındaki deseni dikkatle incelemek önemlidir. Bu yöntemlerin varyasyonları doğrudan görselleştirme yoluyla karmaşık sıvıların akış fiziği bir anlayış geliştirmek için yağ, polimer çözeltileri ve düşük tuzluluk salamura yüksek basınçlı enjeksiyon içerir.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Genel Bakış
Bu makale, yüksek basınç koşullarına uygun iki mikroakışkan yapım tekniğini karşılaştıran bir çalışma ile birlikte bir protokolü açıklamaktadır. Teknikler, rezervuar koşulları altında geçirgen ortam ve kırık sistemlerde sıvı akışının doğrudan gözlemlenmesini sağlar.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Mikroakışkanlar
- Yüksek basınç sistemleri
- Akışkanlar dinamiği
Arka Plan
- Kansas Üniversitesi ve Wyoming Üniversitesi arasındaki iş birliği.
- Polielektrolit kompleks nanoparçacıklarının test edilmesi için bir protokol geliştirilmesi.
- Yüksek basınçlı mikroakışkanlar için son teknoloji tesislerin kullanılması.
- Proje için NSF ve DOE'den destek.
Çalışmanın Amacı
- Mikroakışkan yapım tekniklerini karşılaştırmak.
- Yüksek basınç koşullarında test etmeyi sağlamak.
- Karmaşık ortamlarda sıvı akışının doğrudan gözlemlenmesini kolaylaştırmak.
Kullanılan Yöntemler
- Fotolitografi
- Islak aşındırma
- Termal bağlanma
- Seçici Lazerle İndüklenen Aşındırma (SLE)
Ana Sonuçlar
- İki mikroakışkan yapım tekniğinin karşılaştırılması.
- Yüksek basınç koşullarında uygulanabilirliğinin gösterilmesi.
- Geçirgen ortamlarda sıvı akış davranışına ilişkin görüşler.
- Gelecek araştırmaları için iş birliği çerçevesinin kurulması.
Sonuçlar
- Çalışma, yüksek basınçlı mikroakışkanlar için değerli protokoller sağlar.
- Her iki teknik de akışkanlar dinamiği araştırmalarında gelecekteki uygulamalar için umut vericidir.
- İş birliği, her iki araştırma grubunun yeteneklerini artırır.
Sıkça Sorulan Sorular
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.
