Un medio poroso o un material poroso es un material que contiene poros (huecos). [1] La parte esquelética del material a menudo se llama "matriz" o "marco". Los poros suelen estar llenos de un fluido ( líquido o gas ). El material esquelético suele ser un sólido , pero las estructuras como las espumas a menudo también se analizan de manera útil utilizando el concepto de medios porosos.
Un medio poroso se caracteriza con mayor frecuencia por su porosidad . Otras propiedades del medio (por ejemplo , permeabilidad , resistencia a la tracción , conductividad eléctrica , tortuosidad ) a veces pueden derivarse de las propiedades respectivas de sus constituyentes (matriz sólida y fluido) y la porosidad del medio y la estructura de los poros, pero tal derivación suele ser compleja. Incluso el concepto de porosidad es sencillo para un medio poroelástico.
A menudo, tanto la matriz sólida como la red de poros (también conocida como espacio de poros) son continuas, de modo que forman dos continuos que se interpenetran, como en una esponja . Sin embargo, también existe un concepto de porosidad cerrada y porosidad efectiva , es decir, el espacio poroso accesible para fluir.
Muchas sustancias naturales como rocas y suelo (por ejemplo , acuíferos , depósitos de petróleo ), zeolitas , tejidos biológicos (por ejemplo, huesos, madera, corcho ) y materiales artificiales como cementos y cerámicas pueden considerarse medios porosos. Muchas de sus propiedades importantes solo pueden racionalizarse considerándolas como medios porosos.
El concepto de medio poroso se utiliza en muchas áreas de la ciencia y la ingeniería aplicadas: filtración , mecánica ( acústica , geomecánica , mecánica de suelos , mecánica de rocas ), ingeniería ( ingeniería del petróleo , biorremediación , ingeniería de la construcción ), geociencias ( hidrogeología , geología del petróleo , geofísica). ), biología y biofísica , ciencia de los materiales . Dos campos de corriente importantes de aplicación para los materiales porosos son de conversión de energía y de almacenamiento de energía , donde los materiales porosos son esenciales para superpacitors, pilas de combustible , [2] y las baterías .
Flujo de fluido a través de medios porosos
El flujo de fluidos a través de medios porosos es un tema de interés común y ha surgido como un campo de estudio separado. El estudio del comportamiento más general de los medios porosos que implican la deformación del marco sólido se denomina poromecánica .
La teoría de los flujos porosos tiene aplicaciones en las tecnologías de impresión por chorro de tinta [3] y eliminación de desechos nucleares [4] , entre otras.
Modelos de estructura de poros
Hay muchos modelos idealizados de estructuras de poros. Se pueden dividir a grandes rasgos en tres categorías:
- redes de capilares
- matrices de partículas sólidas (p. ej., paquete cerrado aleatorio de esferas)
- trimodal
Los materiales porosos a menudo tienen una estructura similar a un fractal , con un área de superficie de poro que parece crecer indefinidamente cuando se ve con una resolución cada vez mayor. [5] Matemáticamente, esto se describe mediante la asignación de la superficie de los poros de una dimensión de Hausdorff mayor que 2. [6] Los métodos experimentales para la investigación de estructuras de poros incluyen microscopía confocal [7] y tomografía de rayos x . [8]
Leyes para materiales porosos
Una de las leyes para materiales porosos es la ley de Murray generalizada . La ley de Murray generalizada se basa en optimizar la transferencia de masa minimizando la resistencia al transporte en los poros con un volumen dado, y puede ser aplicable para optimizar la transferencia de masa que implica variaciones de masa y reacciones químicas que implican procesos de flujo, difusión de moléculas o iones. [9]
Para conectar una tubería principal con un radio de r 0 a muchas tuberías secundarias con un radio de r i , la fórmula de la ley de Murray generalizada es:, donde X es la relación de variación de masa durante la transferencia de masa en el poro principal, el exponente α depende del tipo de transferencia. Para flujo laminar α = 3; para flujo turbulento α = 7/3; para molécula o difusión iónica α = 2; etc.
Ver también
- Cenocell
- Materiales nanoporosos
- RMN en medios porosos
- Teoría de la filtración
- Umbral de percolación
- Espuma reticulada
Referencias
- ^ Materiales porosos estructurados jerárquicamente: de la nanociencia a la catálisis, la separación, la óptica, la energía y las ciencias de la vida - Biblioteca en línea de Wiley . 2011. doi : 10.1002 / 9783527639588 . ISBN 9783527639588.
- ^ Zhang, Tao; Asefa, Tewodros (2020). Gitis, Vitaly; Rothenberg, Gadi (eds.). Manual de materiales porosos . Singapur: CIENTÍFICO MUNDIAL. doi : 10.1142 / 11909 . ISBN 978-981-12-2322-8.
- ^ Stephen D. Hoath, "Fundamentos de la impresión de inyección de tinta: la ciencia de la inyección de tinta y las gotas", Wiley VCH 2016
- ^ Martinez MJ, McTigue DF (1996) Modelado en aislamiento de residuos nucleares: Soluciones aproximadas para flujo en medios porosos insaturados. En: Wheeler MF (eds) Environmental Studies. The IMA Volumes in Mathematics and its Applications, vol 79. Springer, Nueva York, NY
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- ^ Peng, Sheng; Hu, Qinhong; Dultz, Stefan; Zhang, Ming (2012). "Utilización de tomografía computarizada de rayos X en la caracterización de la estructura de los poros para una arenisca de Berea: efecto de resolución". Revista de hidrología . 472–473: 254–261. Código bibliográfico : 2012JHyd..472..254P . doi : 10.1016 / j.jhydrol.2012.09.034 .
- ^ Zheng, Xianfeng; Shen, Guofang; Wang, Chao; Li, Yu; Dunphy, Darren; Hasan, Tawfique; Brinker, C. Jeffrey; Su, Bao-Lian (6 de abril de 2017). "Materiales Murray bioinspirados para transferencia de masa y actividad" . Comunicaciones de la naturaleza . 8 : 14921. Bibcode : 2017NatCo ... 814921Z . doi : 10.1038 / ncomms14921 . ISSN 2041-1723 . PMC 5384213 . PMID 28382972 .