PNAS：甲烷包合物形成的成核途径
Nanoyu
2020-09-23
甲烷包合物广泛存在于地球的海底。更好地了解甲烷包合物的形成对天然气的开采，储存和运输具有重要意义。理解包合物形成的关键步骤是水合物成核，其被认为涉及多种进化途径。
近日，中国石油大学（华东）张军教授，Jiafang Xu，美国宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco，内布拉斯加大学林肯分校Xiao Cheng Zeng报道了通过对大规模分子动力学（MD）模拟结果的分析，确定了甲烷包合物形成的独特成核/生长途径。特别是，将三元水环聚集体（TWRA）确定为表征成核途径的基本结构。通过跟踪多个TWRA的演化过程，确定了一条表征良好的形核/生长路径。
文章要点
1）所确定途径的一个标志性特征是堵塞的甲烷分子的水合层脱水，其中1-2-0，2-0-1的TWRA被识别为中间结构，2-1-0，3-0-0的TWRA被识别为特定的和特征性的结构。这四个关键结构只能在甲烷分子聚集的区域大量产生。
2）研究发现，当甲烷分子聚集并碰撞时，其水合层会发生重叠/压缩，然后水合层脱离（脱落），从而形成包合物。
3）根据这种水化层压缩/脱落机制，研究人员估计临界核大约涉及5个CR>3的区域，包括∼13甲烷和∼100水分子。因此，可以通过解析公式来估计相关的成核时间尺度，继而实现了很好地表征或定量地预测成核/生长路径、临界核的大小和成核时间尺度。
Liwen Li, et al, Unraveling nucleation pathway in methane clathrate formation, PNAS, 2020
DOI：10.1073/pnas.2011755117
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2011755117