POWTECH 2019

•••8••• Innovationen AZO GmbH + Co. KG www.azo.com Halle: 1 • Stand: 356 CeramTec GmbH www.ceramtec.de Halle: 2 • Stand: 407 huzap GmbH www.huzap.com Halle: 1 • Stand: 344 Messetelegramm Anzeige Noch besser bohren Neues Nanokomposit für Bohrüssigeiten Ein neuartiges Nanokomposit, das Bohflüssigkeiten stabilisiert, ha- ben Forscher des Instituts für Straßenwesen der Technischen Universität Braunschweig zusam- men mit einem internationalen Team entwickelt. Bei der Bohrung nach Rohstoffen im Boden oder beim Brunnenbau unterstützen Bohrspülungen den Bohrprozess. Eine Bohrspülung ist zunächst ein Gemisch aus Wasser und Bentonit, das bei Bohrungen in das Bohrloch gepumpt wird. Um die rheologischen bzw. Fließ- Eigenschaften zu steuern, werden der Bohrflüssigkeit weitere Stoffe wie Feldspat, Baryt und Polymere hinzugegeben. Bohrspülungen führen Reibungs- wärme ab, schützen das Bohr- werkzeug vor Korrosion und reduzieren Schwingungen. Die wichtigste Aufgabe neben dem Transport des Bohrgutes ist die Stabilisierung der unverrohrten Bohrlochwand durch den soge- nannten Filterkuchen, der sich an der Wand im Laufe des Bohrens absetzt. Um Formationsdrücke im Gestein auszugleichen, wird die Dichte der Bohrspülung je nach Bohrtiefe und Druck angepasst. Damit kann zum einen verhindert werden, dass es zu einem Blow- out durch einströmende Gase, Öle oder Wasser kommt. Zum ande- ren wird vermieden, dass durch zu hohen Druck Spülflüssigkeit in das umgebende Gestein verpresst wird, das in der Folge ausgewa- schen und instabil wird. Wissen- schaftler des Instituts für Straßen- wesen der TU Braunschweig, der Islamischen Azad Universität in Teheran (Iran), der Louisiana State University in den USA, der Curtin University in Australien und des Indian Institute of Technology Ma- dras in Indien haben ein Nanokom- posit, synthetisiert aus Ton und Si- liciumdioxid, für Bohrflüssigkeiten entwickelt. Um die Undurchlässig- keit von Flüssigkeiten im Filterku- chen – gegenüber Spülflüssigkeit und Grundwasser – zu optimie- ren, hat das Forschungsteam die Bohrflüssigkeit mit Nanopartikeln (Nanokomposite) imprägniert. Die Nanopartikel füllen beim Spülvor- gang die Mikrokanäle in der Bohr- wand. Auf diese Weise entsteht eine sogenannte Muqarnas-Struk- tur auf der Oberfläche, die an Sta- laktitengewölbe in der persischen Architektur erinnert. Bohrflüssig- keiten stellen einen großen Kos- tenfaktor bei Bohraufträgen dar. Nanopartikel erlauben es, gleich- zeitig Kosten zu reduzieren und umweltschonendere Zusammen- setzungen von Bohrflüssigkeiten herzustellen. Nanopartikel haben die Fähigkeit, Mikrokanäle in der Bohrlochwand zu füllen (elektronenmikroskopische Aufnahmen li.). Dabei entsteht eine Struktur, vergleichbar mit persischen Muqarnas (r). Foto: Goshtasp Cheraghian/ TU Braunschweig “Many applications related to sensors, drug delivery, and nanotechnology require the precise control of the flow of fluids,” said Ayusman Sen, Distinguished Professor of Chemistry at Penn State and senior author of the paper. Researchers have developed a number of strategies to do so, including nanomotors and fluid pumps, but prior to this study we did not have an easy way to gather particles at a particular location so that they can perform a useful function and then move them to a new location so they can perform the function again. “Say for example you want to build a sen- sor to detect particles of a pollutant, or bacterial spores in a water sample,” said Sen. “With this new method, we can sim- ply add nanoparticles of gold or titanium dioxide and shine a light to encourage the pollutant particles or spores to gather. By concentrating them in one spot, they be- come easier to detect. And because light is so easy to manipulate, we have a high de- gree of control.” Just as pollutant particles could be gathered at a particular location, the method could be used to gather silica or polymer beads that carry a payload, like antibodies or drugs, at particular locations within a fluid. The new method first involves adding a small amount of titanium dioxide or gold nanoparticles to a liquid, like water, that also contains larger particles of interest, like pollutants or beads carrying a payload. Shining a light at a specific point in the liq- uid heats up the tiny metal nanoparticles, and the heat is then transferred to the fluid. The warmer liquid then rises at the point of light – just as warm air rises in a chilly room – and cooler water rushes in to fill the space that the warm water just left, bringing the larger particles with it. “This causes the larger particles to collect at the point of UV light, where they form closely packed, well- organized structures called colloidal crys- tals,” said Benjamin Tansi, graduate student in chemistry at Penn State and first author of the paper. “Changing the intensity of the light or the amount of titanium dioxide or gold particles alters how quickly this pro- cess occurs.” When the light is removed, the larger particles randomly diffuse through the liquid. But if the light is instead relo- cated, the larger particles move toward the new point of light, mostly maintaining their structure as they move. This dynamic as- sembly, disassembly, and movement of or- ganized particles may have important impli- cations for sensing and drug delivery. “This process is most efficient when gold nanoparticles are used, but we wanted to find an alternative that was less expensive and more accessible,” said Tansi. “We were pleased to find that this method also works with titanium dioxide, an inexpensive and harmless nanoparticle used in cosmetics and as a food additive.” In addition to wa- ter, the researchers demonstrated the ef- fectiveness of this method in hexadecane, an organic liquid. “Particles usually don’t assemble very well in salty or non-aqueous environments be- cause everything sticks together,” said Sen. “But here we show that particles can as- semble using this method in hexadecane, which suggests we may be able to apply this technique in, for example, biological fluids. To our knowledge this is the first demon- stration of light-driven fluid pumping in an organic medium.” Members of the research team at the University of Pittsburgh led by Anna Balazs used mathematical models to describe the dynamics of the system. In ad- dition to describing how particles move in the system, the models confirm that only a minor change in temperature – less than a degree Celsius – from the ultraviolet light is required to induce the fluid flow. Organising particles New method uses ultraviolet light to control ow When the light is moved to a new location, the particles move toward the new point of light, as depicted in these video screenshots. Photo: Sen Lab, Penn State Continued from page 1