Сотрудники научной организации из Московского физико-технического института (МФТИ), работая вместе с исследователями из Китая и Португалии, впервые зафиксировали процесс трансформации фрактальной структуры нанопор в углеродных материалах под воздействием подачи диоксида углерода, в ходе эксперимента. Применение методики синхротронного малоуглового рентгеновского рассеяния дало возможность ученым установить, что поры с диаметром от 10 до 70 нанометров демонстрируют различную динамику в зависимости от их размера, что имеет важное значение для оптимизации процесса добычи метана и создания безопасных способов хранения CO₂. Описание полученных данных представлено в одном из авторитетных научных изданий (с импакт-фактором равным 13,2) Chemical Engineering Journal.

Извлечение метана из угольных месторождений представляет собой одну из наиболее трудных проблем в горнодобывающей отрасли. Угольная порода характеризуется сложной и неоднородной организацией: её пористое пространство включает в себя сеть каналов, варьирующихся от нанометрических размеров до миллиметровых трещин. Изучение всех уровней этой структуры одновременно не представляется возможным; наибольшие трудности возникают при анализе структур с размерами порядка нескольких миллиардных метра.

Для увеличения объема газа, получаемого из горных пород, возможно использование углекислого газа. В этом случае структура пор претерпевает изменения: некоторые сужаются, другие расширяются, а третьи заполняются газом. Ранее ученым не удавалось наблюдать в режиме реального времени детализацию этой перестройки и ее влияние на способность пласта высвобождать метан. Отсутствие подобного понимания делает технологии закачки CO₂ преимущественно основанными на практическом опыте, затрудняя прогнозирование эффективности добычи газа.

Китайские исследователи осуществили исследования с использованием проб антрацитового угля, добытого в районе бассейна Циньшуй. Эксперименты были выполнены на оборудовании синхротронного излучения, расположенном в Пекине (BSRF). Данная технология дала возможность непрерывно отслеживать изменения структуры пор угля во время его насыщения углекислотым газом.

В ходе исследования было установлено, что поры различной величины проявляют разную реакцию при подаче углекислого газа. Маленькие отверстия функционируют подобно губке: молекулы диоксида углерода заполняют все неровности и микротрещины на их поверхности, приводя к выравниванию этой самой поверхности. Крупные поры демонстрируют иное поведение: под воздействием давления они изменяют свою форму и способ соединения друг с другом, фактически перестраивая всю внутреннюю структуру.

«Важным достижением стало выделение нанопор в две группы, основанное на их отклике на подачу газа. Мелкие поры (от 10 до 40 нм) показали свойства фрактальной поверхности. Под воздействием углекислого газа молекулы заполняют неровности и микротрещины, сглаживая стенки пор. Этот процесс приводит к уменьшению поверхностной фрактальной размерности – то есть снижению шероховатости – что влияет на способность материала поглощать вещества. Крупные поры (от 40 до 70 нм) продемонстрировали характеристики, связанные с фрактальностью пор. “сжатия” и “переформирования” структуры под действием адсорбционного напряжения», – «Это позволило нам получить ценные сведения», — отметил один из соавторов научной работы, ведущий научный сотрудник Центра вычислительной физики Московского физико-технического института Кирилл Герке. .

Наиболее выраженная реакция на изменение давления наблюдалась у пор размером от 60 до 70 нм. При этом все изменения, вызванные адсорбцией углекислого газа, оказались лишь частично обратимыми: после снижения давления структура угольной породы не восстанавливала первоначальный вид, что свидетельствует о пластической деформации материала.

Собранные данные имеют значение для двух многообещающих областей энергетики. Прежде всего это технология повышения нефтегазоотдачи за счёт закачки углекислого газа (CO₂-EOR), позволяющая добывать метан, который трудно извлечь обычными способами. Кроме того, они важны для разработки методов геологического хранения (секвестрации) CO₂, что является одним из основных способов противодействия глобальному потеплению.

«Знание того, как различные типы пор ведут себя на микроуровне под воздействием давления, дает возможность более точно предсказывать проницаемость горных пород и контролировать процессы закачки углеводородных газов. Примененный метод синхротронного рассеяния *in-situ* считается “золотым стандартом«ключевым» для проведения анализа закрытых нанопор без их разрушения, что затруднительно при использовании стандартных подходов (например, рентгеновской томографии или порометрии) из-за технических ограничений и недостаточной разрешающей способности). . Несмотря на то, что данное исследование было сфокусировано на процессе внедрения углекислого газа, синхротронные методики и стратегии многоуровневого моделирования, создаваемые Центром, е вычислительной физики МФТИспособны также предоставить решения для задач, стоящих перед угольной отраслью в Российской Федерации. », – поясняет Кирилл Герке.

Исследование проводилось при финансовой поддержке Национального научного фонда КНР и Фонда базовых исследований центральных университетов. Проект специалистов из МФТИ был осуществлен благодаря финансированию по программе Министерства науки и высшего образования, номер 075-03-2026-305 от 16 января 2026 года. С российской стороны в работе принимали участие сотрудники Московского физико-технического института и Института геофизики им. О.Ю. Шмидта РАН.

Информация предоставлена пресс-службой МФТИ