Исследователи значительно продвинулись в идентификации индивидуальных молекулярных компонентов асфальтена – сложной плотной высококипящей смеси углеводородов, содержащихся в сырой нефти. Асфальтены оказывают значительное влияние на многие свойства сырой нефти, включая особенности ее добычи, перевозки и очистки. Очевидно, что нефтяникам хочется узнать больше о точном составе асфальтенов, чтобы получить больше информации о химии нефти, которая, например, может помочь в более точном моделировании нефтяных резервуаров.

Асфальтеновая фракция нефти содержит несколько тысяч отдельных молекул углеводородов, большая часть которых полициклическая. Отдельные компоненты асфальтеновой фракции сложно разделять и изучать, поскольку они образуют сложные ансамбли в растворах, и традиционные методы изучения структуры, основанные на регистрации свойств большого количества одинаковых молекул (ЯМР, ИК, КР) позволяют получить только хаотический набор сигналов, который из-за близости строения и свойств веществ, входящих в состав асфальтенов, не так-то просто расшифровать.

В новой работе исследователи из Швейцарии, Испании и США для изучения асфальтенов решили использовать комбинацию атомно-силовой (АСМ) и сканирующий туннельной микроскопии (СТМ). Использование этих методов позволило идентифицировать строение более чем полутораста отдельных молекул из асфальтеновой фракции. Как отмечает принимавший участие в исследовательском проекте Бруно Шулер (Bruno Schuler) из швейцарского отделения IBM, до недавнего времени знания об асфальтене были отрывочны и ограничены, не говоря уже про то, что размеры, вес, строение и архитектура углеводородов асфальтеновой фракции длительное время были предметом споров.

Исследователи незначительно нагревали твердые образцы асфальтена при ультравысоком разрежении – это заставляло индивидуальные молекулы покидать фракцию, после чего их улавливали с помощью субстрата. Расположенные на подложке молекулы изучали АСМ для изучения расположения атомных ядер и СТМ для получения информации об их электронном строении.

Использованный подход позволил получить беспрецедентную информацию о молекулярном составе асфальтенов.

В особенности, удалось решить вопрос, который до этого обсуждался многие годы – можно ли рассматривать асфальтеновые полициклические ароматические углеводороды как «острова» со сплошной системой сопряжения или как «архипелаги», в которых отдельные ароматические фрагменты связаны между собой алкильными цепями. Результаты исследования показали, что молекулы асфальтенов представляют собой центральное ароматическое ядро, окруженное боковыми алкильными фрагментами. В ряде случаев полициклические ароматические фрагменты связаны алкильными цепями (модель «архипелаг»), однако в большинстве случаев имеется единственный ароматический центр с периферийными алкильными цепями (модель «остров»).

Говоря о результатах новой работы, Дуглас Кушнерик (Douglas Kushnerick) из ExxonMobil отмечает, что проведенный анализ является первым примером прямого изучения отдельных компонентов сложной смеси органических молекул с качеством, которого до настоящего времени не удавалось достичь.

Он добавляет, что существует значительное количество проблем химической технологии, которые могли бы быть решены, если бы нам удалось полностью и точно изучить строение всех компонентов асфальтеновой фракции.