En muchos campos, como la ciencia de los materiales, la ingeniería geológica, la extracción de petróleo y la biomedicina, las propiedades de los materiales a menudo no solo dependen de su composición química, sino que también están profundamente afectadas por su microestructura interna. Y la permeabilidad - es decir, el porcentaje del volumen de poros en el interior del material en el volumen total - es el parámetro central que describe esta microestructura. Es como una llave que desbloquea muchos secretos del material sobre resistencia, permeabilidad, adsorción y propiedades de aislamiento térmico. El análisis de permeabilidad es el "ojo de perspectiva" que entiende el mundo interior del material, lo que nos proporciona una base científica para comprender y optimizar las propiedades del material.
Los poros no siempre son defectos del material, en muchos casos es incluso la clave para que el material logre funciones específicas. En la geología petrolera, la permeabilidad de las rocas determina directamente su capacidad de almacenamiento de petróleo y es el indicador central para evaluar la abundancia de depósitos de petróleo y gas. En el campo de los catalizadores, la enorme superficie específica de los materiales porosos (proporcionada por los poros) es el lugar donde las reacciones catalíticas se llevan a cabo de manera eficiente. En los materiales de aislamiento térmico de construcción, la red de poros cerrada es la clave para bloquear la transmisión de calor y lograr el aislamiento térmico. En los materiales biomédicos, como los huesos artificiales, una estructura de poros adecuada favorece el crecimiento celular y la regeneración de tejidos. Por lo tanto, la determinación precisa de la permeabilidad y la comprensión de la distribución del tamaño, morfología y conectividad de los poros son de gran importancia orientadora para el diseño, preparación y aplicación de materiales.
Análisis de la permeabilidadSe han desarrollado diversas tecnologías maduras para hacer frente a las necesidades de medición de diferentes materiales y escalas.
Método de adsorción de gas (bet): este es el "estándar de oro" para medir microporos y mesoporos (diámetro inferior a 50 nanómetros). Al permitir que las moléculas de gas (como el nitrógeno) se adsorban de una sola capa o incluso de varias capas en la superficie del material a bajas temperaturas (generalmente a temperatura de nitrógeno líquido), se puede calcular la superficie específica y la distribución del tamaño del poro del material en función de la relación entre la cantidad de adsorción y la presión. Este método es crucial para la caracterización de materiales porosos como carbón activado y tamices moleculares.
Método de presión de mercurio: este método utiliza las características del mercurio que no humedece la mayoría de las superficies sólidas y presiona el mercurio en los poros del material a presión externa. De acuerdo con la relación entre el volumen de mercurio que se presiona y la presión (ecuación de washburn), se puede calcular la distribución del tamaño del poro, especialmente adecuado para la medición de poros grandes (diámetro superior a 50 nanómetros) y poros totales. Sin embargo, debido a su uso de mercurio tóxico, la operación debe ser particularmente cautelosa.
Método de expansión de gas (método del gravímetro de helio): utilizando las características de la molécula de helio muy pequeña y penetrante en casi todos los poros conectados, el volumen del esqueleto del material se puede obtener con precisión midiendo el volumen de la muestra excluyendo el helio, y luego calcular la permeabilidad total, incluidos los poros abiertos y cerrados. Este método es de alta precisión y es ampliamente utilizado en la determinación de la permeabilidad de materiales densos como rocas, cerámica y metales.
Micrografía: con la ayuda de microscopía electrónica de barrido (sem), haz de iones enfocado (fib) o tomografía computarizada a nivel de micras / nanómetros, se puede observar directamente la morfología bidimensional o tridimensional de los poros y analizar intuitivamente el tamaño, la forma y la distribución espacial de los poros. Este método proporciona información visual sobre la estructura de los poros y es un poderoso complemento para otros métodos de medición.
La aplicación del análisis de permeabilidad recorre todo el proceso de investigación y desarrollo de materiales y prácticas de ingeniería. En la industria petrolera, es la base del cálculo de reservas y el diseño de esquemas de extracción; En el campo de la nueva energía, es la clave para optimizar los materiales de electrodos de la batería y mejorar la eficiencia del almacenamiento de energía; En la industria de protección del medio ambiente, es la base para evaluar el rendimiento de los adsorbentes y diseñar materiales de tratamiento de agua de alta eficiencia; En la fabricación avanzada, guía la preparación de metales porosos ligeros y de alta resistencia y cerámica. A través del análisis de permeabilidad, los investigadores pueden "ver" y cuantificar la estructura interna del material, ajustando así los parámetros del proceso de manera específica para lograr un control preciso de las propiedades del material.