多孔質媒体における空間分布された濡れ性の特徴付け

小さな液体接触が大きなエネルギー問題に影響する理由

地下深部の岩石内部で油、水、あるいは水素や二酸化炭素のような気体がどのように移動し、閉じ込められるかは、「濡れ性」—岩石表面がどの流体を好むか—に依存します。この濡れ性は肉眼で見えないほど小さなスケールで決まります。本論文は、各細孔ごとに三次元でその好みをマッピングする新しい手法を提示し、地下CO₂貯留や水素貯蔵、石油回収のみならず、高度な電池や燃料電池の性能にも強く影響する、隠れたパッチワーク状の挙動を明らかにします。

岩石内部を三次元で観察する

最新のX線マイクロコンピュータ断層撮影（マイクロCT）は、小さな岩石試料の内部を3Dで可視化し、異なる流体が細孔空間のどこにあるかを示します。これらの画像から、流体界面が固体表面に接する「接触角」を求めようとします。この角度は理論上、岩石が親水性か親油性か、あるいはその中間なのかを示す単純な幾何学的指標です。しかし実際には、岩・水・油が出会う正確な線は数ピクセルにわたってぼやけ、表面は粗く、位相のコンピュータによる「セグメンテーション」も完璧ではありません。既存の自動化手法は重要な詳細を平滑化してしまったり、界面を数ピクセルずらしてしまったりして角度にバイアスを与えがちで、特に複雑な岩石や細孔ごとに挙動が大きく異なる混合濡れ系では問題が顕著です。

流体の端を追う新しい方法

著者らは、問題で最も扱いにくい部分、すなわち正確な三相接線の特定を回避する自動幾何学的アルゴリズムを導入します。この方法ではあいまいな接線上で正確に測る代わりに、岩–流体と流体–流体の境界の詳細な表面メッシュを構築し、隣接する解像度の良い領域から接点へ向けて局所的な表面の向き（法線）を外挿します。これらの法線を組み合わせて、各接触ループに沿った多数の点で接触角を算出します。ワークフローには、細心のノイズ低減、画像中の実際の強度エッジに沿う堅牢なセグメンテーション手法、階段状のピクセルアーチファクトを除去しつつ細孔形状を縮小・歪曲しない穏やかな表面平滑化が含まれます。組み込みの品質チェックは、局所近傍と明らかに矛盾する外れ値測定を除外し、測定数を犠牲にして信頼性を高めます。

理想形状と実岩での検証

精度を確認するため、研究チームはまず完全に合成されたデータセットにアルゴリズムを適用しました：真の接触角が正確に既知の平坦および曲面上に置かれたデジタル滴です。幅広い角度と画像解像度で、新手法はおよそ±5度の精度で真値を再現し、特に低角・高角で誤差が拡大しがちな既存の広く使われるツールよりも良好かつ一貫した性能を示しました。次に、石灰岩や砂岩を含む複数の岩種から得た実際のマイクロCT画像に移行し、油–水や水素–水系、石油回収や地下ガス貯留に関連する流動条件下で検証しました。自動化結果を丹念な手動測定と比較することで、本手法が古い自動化手法が導入する強いバイアスを回避しつつ、専門家の手測定に近い結果を与えることを示しました。

岩–流体挙動に潜むパターンを明らかにする

数千件に及ぶ信頼できる局所測定を用いて、著者らは細孔空間全体の接触角の3Dマップを構築しました。全体として親水性の岩では角度は比較的一様で低く、水が固体表面に付着して狭い角隅を流れる一方で油が細孔中心を占めることを裏付けます。長期間の原油曝露で変化した“混合濡れ”の砂岩では、平均角度はやや親水性を示すにとどまります。しかし空間分布マップはより豊かな物語を語ります：表面のほぼ60％は依然として親水性のままである一方、約40％はどちらの流体も強く選ばない中間領域に移行しています。これらの中間パッチは、画像で観察される特異な鞍形界面や複雑な充填パターンが現れる場所と一致しており、単一の平均接触角では説明できない捕捉と流れの不可思議な組合せを解き明かします。

エネルギーと環境にとっての意義

CO₂や水素が地下でどのように広がり保持されるか、あるいは電解質や気体が燃料電池や電池の多孔層をどのように移動するかを予測しようとする技術者にとって、単一の「平均」濡れ性を知るだけではもはや十分ではありません。本研究は、微妙で空間的に変化する濡れ挙動が流体の浸入、ピンニング、ある経路の回避といった挙動を制御することを示します。新しいアルゴリズムは細孔ごとの濡れ性マップと測定不確かさの透明な推定を、オープンソースのソフトウェアパッケージとして提供します。分かりやすく言えば、ぼんやりした岩のX線画像を流体の「好みの地図」に変換し、安全な炭素貯留プロジェクトの設計、より安定した水素貯留層、改良された石油回収戦略、より効率的な電気化学デバイスの開発に役立つ強力なツールを提供します。

引用: Aljaberi, F., Belhaj, H., Foroughi, S. et al. Spatially distributed wettability characterization in porous media. Sci Rep 16, 12643 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43688-1

キーワード: 濡れ性, 多孔質媒体, 接触角, CO2貯留, 水素貯蔵