Structure and Permeability of Porous Silicon Investigated by Self-Diffusion NMR Measurements of Ethanol and Heptane

• Published in: Oil & gas science and technology Vol. 71; no. 4; pp. 54 - 60
• Main Authors: Puibasset, J., Porion, P., Grosman, A., Rolley, E.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Paris EDP Sciences 01.07.2016; Institut Français du Pétrole (IFP)
• Series: Dossier: Characterisation and Modeling of Low Permeability Media and Nanoporous Materials
• Subjects: Adsorption; Anisotropy; Computational fluid dynamics; Confinement; Deformation; Diffusion; Dye dispersion; Dynamics; Echoes; Elastic deformation; Ethanol; Evaporation; Fluids; Heptanes; Honeycomb construction; Magnetic permeability; Membranes; Molecular chains; Neck; NMR; Nuclear magnetic resonance; Permeability; Phase transitions; Physics; Pores; Porosity; Porous silicon; Self diffusion; Silicon; Silicon wafers; Single crystals; Surface chemistry; Topology
• ISSN: 1294-4475; 1953-8189; 2804-7699
• DOI: 10.2516/ogst/2015045

The adsorption and phase transitions of confined fluids in nanoporous materials have been studied intensely because of both their fundamental interest and their crucial role in many technologies. Questions relating to the influence of the confinement of fluids, and the disorder or elastic deformation of porous solids on the liquid-gas phase transition are still under debate. Model systems are needed to understand the adsorption phenomenon. In this context, Porous Silicon (PoSi), which is a single crystal obtained by etching a (100) silicon wafer is an excellent candidate. Indeed, it consists of non-connected tubular pores running parallel to the [100] axis perpendicular to the wafer surface, with transverse sections with a polygonal shape of nanometric size whose areas are widely distributed. Once detached from the wafer, free PoSi membranes can be considered a nanoscale disordered honeycomb. Adsorption/desorption experiments have been performed to characterize the structure: they have shown that evaporation occurs collectively, an intriguing observation generally associated with a disordered pore structure with many interconnections through narrow necks. The characterization of fluid mobility inside the pores should give complementary information about the pore structure and topology. This paper focuses on the dynamics of a fluid confined inside the structure of porous silicon, and in particular the self-diffusion measurements (pulsed field gradient spin echo Nuclear Magnetic Resonance (NMR)). The results show a strong anisotropy of the self-diffusion tensor, as expected in this highly anisotropic structure. However, a non-zero self-diffusion in the directions perpendicular to the pore axis is observed. In order to interpret these puzzling results, molecular and Brownian dynamics calculations are underway. L’adsorption et les transitions de phase de fluides confinés dans des nanopores sont étudiées pour leur intérêt fondamental et technologique. En particulier, l’influence du confinement du fluide, du désordre ou des déformations élastiques du milieu poreux sur la transition liquide-vapeur sont toujours débattus. Des systèmes modèles sont requis pour mieux comprendre ces phénomènes en lien avec l’adsorption. Dans ce contexte, le silicium poreux obtenu par attaque chimique de la surface (100) d’un wafer de silicium parait être un excellent candidat. Il est en effet constitué de pores tubulaires non-connectés et parallèles à l’axe [100] perpendiculaire à la surface du wafer ; ces pores sont à section polygonale de taille nanométrique, avec une distribution en taille large. La membrane de silicium poreux, une fois détachée du wafer peut être vue comme une structure en nid d’abeilles désordonné. Des mesures d’isothermes d’adsorption/désorption ont été réalisées pour caractériser la structure : elles ont montré que l’évaporation a lieu de manière collective, une observation inattendue, généralement interprétée comme étant la signature d’un milieu poreux désordonné avec de nombreuses interconnexions étroites. La caractérisation de la mobilité du fluide à l’intérieur des pores devrait fournir des informations complémentaires sur la structure et la topologie des pores. Ce papier s’intéresse à la dynamique d’un fluide confiné dans le silicium poreux, en particulier par mesure du coefficient d’autodiffusion par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) (gradients de champs pulsés). Les résultats montrent une forte anisotropie du tenseur de diffusion, en accord avec la structure très anisotrope du milieu. Toutefois, une diffusion non-nulle est observée dans les directions perpendiculaires à l’axe des pores. L’interprétation de ces résultats se fera à l’aide de calculs de dynamique Brownienne et moléculaire.