天然氣水合物是一種由多面體水籠子(主體)和小的氣體分子(客體)組成的非計量化合物,其中甲烷水合物最為典型。它在能源、環(huán)境、油氣管道運輸以及地質(zhì)災(zāi)害等方面都有著很重要的影響和作用。在水合物研究領(lǐng)域,甲烷水合物的形成機(jī)制是一個基本科學(xué)問題,而水籠子和甲烷分子間的吸附作用是理解水合物形成機(jī)制的關(guān)鍵因素。該吸附作用可以通過計算籠子-甲烷間的平均力勢能來研究。
地質(zhì)地球所地球深部結(jié)構(gòu)與過程研究室的博士生劉嬋娟和導(dǎo)師郭光軍研究員等通過約束分子動力學(xué)模擬方法,計算了籠子-甲烷間的平均力勢能,調(diào)查了水合物的籠子類型和吸附面大小對籠子-甲烷間平均力勢能的影響(圖1、2)。研究表明:(1)籠子-甲烷間的吸附作用基本不受籠子類型的影響;(2)不同的吸附面對籠子-甲烷間的吸附作用有很大的影響,當(dāng)吸附面為四邊形至六邊形時,籠子-甲烷間的吸附作用隨著吸附面的增大而增強(qiáng),即吸附面越大就越有利于捕獲甲烷;(3)當(dāng)吸附面大于等于七邊形時,它就不再能夠吸附甲烷,而是允許甲烷分子穿過吸附面進(jìn)入籠子。這樣的吸附面實際上已經(jīng)轉(zhuǎn)化為籠子洞,這為提供了堅實的理論基礎(chǔ)。
該研究結(jié)果對天然氣水合物的形成機(jī)制研究,以及水合物客體分子在籠子間的擴(kuò)散研究有重要意義;另外也意味著在水合物的成核和生長過程中存在優(yōu)勢面,籠子更容易沿著優(yōu)勢面的方向生長。該研究成果近期發(fā)表在物理化學(xué)類國際知名刊物Chemical Physics Letters上(Liu et al. Effects of cage type and adsorption face on the cage-methane adsorption interaction: Implications for hydrate nucleation studies. Chemical Physics Letters, 2013, 575: 54-58)。