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撫生試劑-中科院地質(zhì)地球所等定量論證天然氣水合物無(wú)定形相的存在
閱讀：157 發(fā)布時(shí)間：2014-4-16中科院地質(zhì)地球所等定量論證天然氣水合物無(wú)定形相的存在
豐富的籠子類型和籠子充填狀態(tài)
天然氣水合物，俗稱“可燃冰”，在能源、環(huán)境、油氣運(yùn)輸和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域?qū)θ祟惿婧桶l(fā)展有重要影響，值得人們像歷*對(duì)煤炭和石油的研究一樣下大力氣研究天然氣水合物。目前，該研究領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)基本科學(xué)問(wèn)題——“水合物怎樣形成？”在上仍然沒(méi)有定論，而回答這個(gè)問(wèn)題需要在分子水平上對(duì)水合物的成核和生長(zhǎng)機(jī)制有深入的了解。
中科院地質(zhì)與地球物理研究所地球深部結(jié)構(gòu)與過(guò)程研究室分子動(dòng)力學(xué)學(xué)科組郭光軍研究員及其合作者于2009年10月6日曾提出天然氣水合物成核機(jī)制的籠子吸附假說(shuō)，預(yù)測(cè)出水合物在形成過(guò)程中應(yīng)該經(jīng)歷一個(gè)各種籠子結(jié)構(gòu)混雜堆垛的無(wú)定形相過(guò)渡態(tài)。兩天后，Walsh等在Science上發(fā)表了*條水合物自發(fā)成核生長(zhǎng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬軌跡。但是由于作者在軌跡分析中只能識(shí)別4種水合物籠子，因此沒(méi)有意識(shí)到他們所獲得的結(jié)果實(shí)際上就是無(wú)定形相水合物。
zui近，郭光軍等用新建立的“面飽和不完整籠子分析”方法重新分析了Walsh等發(fā)表的分子軌跡原始數(shù)據(jù)，識(shí)別出了軌跡中所有的數(shù)千種不同類型的籠子。在此基礎(chǔ)上，用籠子連接結(jié)構(gòu)的定量計(jì)算證實(shí)，這條軌跡到達(dá)的正是2009年曾經(jīng)預(yù)測(cè)的水合物無(wú)定形相，而且它的水合物結(jié)晶度只有0.16，距離理想的水合物晶體（結(jié)晶度=1）還很遙遠(yuǎn)。此外，郭光軍等還從這條軌跡中觀察到了大量重要的成核有序參數(shù)（如籠子占有率、籠子連接數(shù)、晶核比表面積等）和有趣的成核現(xiàn)象（如籠子的拓?fù)鋪嗩?、籠子的多客體充填等），而且進(jìn)一步通過(guò)籠子的簇分析把水合物臨界晶核的大小限定在合理范圍內(nèi)。
郭光軍及其合作者的研究為天然氣水合物無(wú)定形相的存在提供了確定的定量證據(jù)，有力地支持了水合物成核機(jī)制的籠子吸附假說(shuō)，指出水合物從無(wú)定形相向結(jié)晶相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是下一步的研究方向。另外，這項(xiàng)研究中所建立的“面飽和不完整籠子分析”也為基于計(jì)算機(jī)模擬的水合物研究提供了一個(gè)精密的分析工具。
該研究成果近期發(fā)表在物理化學(xué)類期刊Phys. Chem. Chem. Phys.上（Guo et al. Using the face-saturated incomplete cage analysis to quantify the cage compositions and cage linking structures of amorphous phase hydrates. Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13: 12048-12057）。