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张正财等-PCCP:冰对甲烷水合物成核影响的微正则分子动力学模拟研究
2017-08-29 | 作者:科技处 | 【 】【打印】【关闭

  甲烷水合物是一种由水分子和甲烷分子组成的晶体化合物,广泛存在于大陆边缘的海底和永久冻土地带。冰作为一种同样由水分子组成的晶体常被用于合成甲烷水合物。但是,冰影响甲烷水合物形成的机理依然不甚清楚。
  中科院地质地球所地球与行星物理院重点实验室的张正财博士后与郭光军研究员使用高精度恒能量分子动力学模拟,在冰-溶液-气体三相体系中进行了微秒级的甲烷水合物成核模拟,并考虑了甲烷水合物相对于冰的成核位置、冰-水合物界面的水分子环以及冰的不同晶面等因素对甲烷水合物成核的影响。
  模拟结果显示,甲烷水合物既可以在冰表面发生异相成核,也可以在溶液相中发生均相成核(图1)。冰表面对甲烷分子的吸附,水合物和冰结构之间的氢键以及冰对水合物成核所释放热的吸收都可以促进水合物笼子在冰表面形成(图2),从而致使水合物更易在冰表面成核。但是,水合物和冰结构的不兼容性以及冰表面的亲水性则会削弱冰表面对水合物成核的促进效果。同时,他们发现冰和水合物结构之间通过五边形和六边形的水环相连接,冰的不同晶面不会对水合物成核产生影响。该研究用冰吸收水合物生成热的方法,第一次成功实现了在实验中观察到随着水合物形成,冰粒表层逐渐退缩的现象。

1:甲烷水合物既可以在冰表面发生异相成核(轨迹1),也可以在溶液相中发生均相成核(轨迹2)。冰显示为蓝色;水合物中氧原子和氢原子分别显示为红色和白色;甲烷显示为黄褐色(位于512笼子中)和青色(位于其他笼子中)

图2:在成核诱导期,沿着z轴方向水合物笼子密度的概率分布,淡蓝色区域为冰/溶液界面

  以上研究成果近期发表在英国皇家化学学会期刊Physical Chemistry Chemical Physics上(Zhang et al.The effects of ice on methane hydrate nucleation: a microcanonical molecular dynamics study. Physical Chemistry Chemical Physics, 2017,19(29): 19496-19505)。 

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