Multi-scales nuclear spin relaxation of liquids in porous media

The magnetic field dependence of the nuclear spin–lattice relaxation rate 1/T1(ω0) is a rich source of dynamical information for characterizing the molecular dynamics of liquids in confined environments. Varying the magnetic field changes the Larmor frequency ω0, and thus the fluctuations to which the nuclear spin relaxation is sensitive. Moreover, this method permits a more complete characterization of the dynamics than the usual measurements as a function of temperature at fixed magnetic field strength, because many common solvent liquids have phase transitions that may alter significantly the character of the dynamics over the temperature range usually studied. Further, the magnetic field dependence of the spin–lattice relaxation rate, 1/T1(ω0), provides a good test of the theories that relate the measurement to the microdynamical behavior of the liquid. This is especially true in spatially confined systems where the effects of reduced dimensionality may force more frequent reencounters of the studied proton spin-bearing molecules with paramagnetic impurities at the pore surfaces that may alter the correlation functions that enter the relaxation equations in a fundamental way. We show by low field NMR relaxation that changing the amount of surface paramagnetic impurities leads to striking different pore-size dependences of the relaxation times T1 and T2 of liquids in pores.Here, we focus mainly on high surface area porous materials including calibrated porous silica glasses, granular packings, heterogeneous catalytic materials, cement-based materials and natural porous materials such as clay minerals and rocks. Recent highlights NMR relaxation works are reviewed for these porous materials, like continuous characterization of the evolving microstructure of various cementitious materials and measurement of wettability in reservoir carbonate rocks. Although, the recent applications of 2-dimensional T1–T2 and T2-z-store-T2 correlation experiments for characterization of water exchange in connected micropores of cement pastes are also outlined.

RésuméLes variations des vitesses de relaxation spin-réseau 1/T1(ω0) avec le champ magnétique permettent d'obtenir des informations précises sur la dynamique des liquides dans les milieux confinés. Varier le champ magnétique permet de varier les fréquences de Larmor ω0 sur quatre ordres de grandeur et donc d'élargir considérablement le domaine spectral des fluctuations ressenties par les processus de relaxation magnétique nucléaire. Cette méthode est préférable à la méthode traditionnelle de caractérisation de la dynamique des liquides par la variation de 1/T1 avec la température à champ magnétique constant car beaucoup de liquides ont des transitions de phase qui viennent perturber la dynamique mesurée dans la gamme de température utilisée. De plus, l'analyse théorique des profils de dispersion 1/T1(ω0) permet de tester efficacement les théories de relaxation utilisées. Ceci est particulièrement vrai dans le cas des liquides confinés dans les milieux poreux où les effets de dimensionnalité réduite amplifient les occurrences des collisions avec les impuretés paramagnétiques présentes à la surface des pores. Il en résultera des modifications drastiques du comportement des fonctions de corrélation aux temps longs et donc des densités spectrales qui en résultent à basses fréquences. La modification de la quantité d'impuretés paramagnétiques aux interfaces liquide–solide et la variation avec la taille des pores des temps de relaxation de spin T1 et T2 nous a permis de connaître le processus de relaxation limitant dans les milieux poreux.On s'intéressera plus particulièrement aux matériaux poreux à grande surface spécifique comme les verres poreux calibrés de silice, les empilements granulaires compacts, les matériaux catalytiques hétérogènes, les matériaux cimentaires et les matériaux minéraux poreux naturels comme les argiles et les roches. On présentera succinctement nos résultats de relaxation récents sur le suivi en continu de l'évolution de la microstructure des pâtes de ciment et des bétons de poudres réactives et sur la mesure de la mouillabilité des carbonates de réservoir pétrolier. Enfin, nous aborderons brièvement le domaine prometteur des applications récentes des spectres de corrélation à deux dimensions, à bas champ magnétique constant, des temps de relaxation T1–T2 and T2-z-store-T2 qui ont permis de caractériser un échange d'eau entre les micropores connexes des pâtes de ciment.