Um die Masse in rauen Umgebungen zu verfolgen, sind Ersatzpartikel erforderlich, die dem Ereignis standhalten und bis zur Probenahme bestehen bleiben. Wissenschaftler haben bereits über die Überlebensfähigkeit von robusten Partikeltracern bei Explosionen berichtet.
In einer neuen Studie von Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) haben Wissenschaftler robuste Tracerpartikel entwickelt, die unter extremen Bedingungen überleben und gedeihen können.
Fluoreszierende Farbstoffe und andere organische Materialien werden in der biologischen Forschung häufig als Tracer verwendet, um Zellen zu lokalisieren und Wasserlecks zu erkennen. Unter bestimmten Umständen leisten sie hervorragende Arbeit, sind jedoch beim Aufspüren von Material bei Explosionen weniger effektiv. Ihr Problem ist: Sie brennen.
Anstatt organische Materialien zu verwenden, konzentrierten sich die Wissenschaftler in dieser Studie auf anorganische Materialien, um ihre robusten Tracer zu entwickeln – insbesondere Quantenpunkte.
Die PNNL-Forscherin April Carman sagte: „Obwohl sie unter rauen Bedingungen viel besser abgeschnitten haben als organische Materialien, musste das Forschungsteam die Quantenpunkte dennoch vor den extremen Bedingungen einer chemischen Explosion schützen.“
„Es erwies sich als schwierig, einen Weg zu finden, den Tracer zu schützen und gleichzeitig seine Lumineszenzintensität beizubehalten.“
Die lokale Umgebung hat erheblichen Einfluss auf die Helligkeit bzw. Lumineszenzintensität des Tracers. Einige vorbeugende Maßnahmen können die Helligkeit verringern, wodurch das Auffinden des Tracers schwieriger wird. Daher entschieden sich die Wissenschaftler für die Verwendung von hydratisiertem Siliciumdioxid – „im Grunde genommen wassergetränktes Glas“, um die Quantenpunkte zu schützen und ihre Helligkeit beizubehalten.
Die vom PNNL-Team hergestellten beschichteten Tracer waren fast so leuchtend wie die ursprünglichen Quantenpunkte, obwohl frühere Silica-Beschichtungstechniken die Helligkeit der Tracer erheblich verringerten. Zusätzliche Tests ergaben, dass die Partikel über längere Zeiträume verschiedenen pH-Werten standhalten konnten.
Hubbard sagte: „Als wir unsere Ergebnisse sahen, wussten wir, dass wir etwas Besonderes geschaffen hatten.“
Zum Glück für das PNNL-Team war ihre Synthesemethode so konzipiert, dass sie vollständig skalierbar ist, um Massenmengen zu produzieren – von Kilogramm bis hin zu potenziellen Tonnen pro Tag.
Michael Foxe, ein Kollege des PNNL-Forschers, sagte: „Sie können nicht nur große Mengen des Tracers herstellen, sondern diese auch individuell anpassen. „Wir können die Größe und Farbe des Tracers an jede Besonderheit anpassen. Der Tracer kann fein abgestimmt werden, um eine Nachahmung der Masse oder des Materials zu erzeugen, die verfolgt werden. Wir können auch verschiedene Größen mit unterschiedlichen Farben verwenden, um zu visualisieren, wie sich eine Explosion auf Partikel unterschiedlicher Größe auswirkt.“
Wissenschaftler bekannt, „Die Tracer sind robust genug, um in rauen Umgebungen eingesetzt zu werden, um Massen zu verfolgen und das Verständnis der Wissenschaftler über Umweltschicksal und Transport zu verbessern. Sie können unter Bedingungen funktionieren, die für herkömmliche Tracer zu streng sind – etwa in Öl- und Gasraffinerien oder Geothermieanlagen. Mit einstellbaren Parametern und einem benutzerfreundlichen System bieten diese Tracer viele potenzielle Anwendungen für die Verfolgung des Materialschicksals und -transports in rauen Umgebungen.“
Carman sagte: „Wir sind froh, dass wir dieses Projekt trotz anfänglicher Skepsis weiter verfolgen konnten. Wir sind auch gespannt, wohin es uns als nächstes führt.“
Journal Referenz:
- Hubbard, L., Reed, C., Uhnak, N. et al. Lumineszierende Silica-Mikroagglomerate, Synthese und Umwelttests. MRS Kommunikation 12, 119–123 (2022). DOI: 10.1557/s43579-022-00150-3
