天然氣水合物在能源、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)展具有重要意義，但是關(guān)于它的形成機(jī)制問題一直沒有解決。近年來，國(guó)際上幾個(gè)研究小組用計(jì)算模擬的方法先后實(shí)現(xiàn)了天然氣水合物的自發(fā)成核和生長(zhǎng)模擬，逐漸形成了一個(gè)共識(shí)：水合物初始成核先形成非晶相，隨后再經(jīng)過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變形成結(jié)晶相。然而，水合物成核如何發(fā)生、成核前準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溶液有什么特點(diǎn)等一系列問題仍然不清楚，特別是在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下的甲烷溶解度數(shù)據(jù)稀缺，臨界溶解度仍然未知。
地質(zhì)地球所地球深部結(jié)構(gòu)與過程研究室的郭光軍研究員和英國(guó)華威大學(xué)科學(xué)計(jì)算中心的Rodger教授合作開展了大規(guī)模的分子動(dòng)力學(xué)模擬，讓甲烷氣體從兩側(cè)向一層水膜中自發(fā)溶解，并計(jì)算獲得在水合物形成條件下水膜中達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平衡時(shí)的甲烷溶解度（圖1）。結(jié)果表明，降低溫度與升高壓力都會(huì)增加甲烷的溶解度，但是降溫對(duì)于促進(jìn)水合物成核比升壓更有效，因?yàn)榍罢叽龠M(jìn)了水籠子的形成而后者恰好相反（圖2）。隨著甲烷溶解度的增加，甲烷簇的形成概率增大，并且甲烷簇的大小服從指數(shù)分布；這表明甲烷簇在形成氣泡時(shí)不同于經(jīng)典成核理論，它有潛力為水合物晶核的生長(zhǎng)提供物源。此項(xiàng)工作最重要的發(fā)現(xiàn)是觀察到了水合物成核的臨界溶解度，大約0.05摩爾分?jǐn)?shù)，相當(dāng)于每立方納米1.7個(gè)甲烷分子。超過該值時(shí)，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的甲烷溶液將無法保持，并觸發(fā)水合物成核。這個(gè)臨界溶解度恰好與的預(yù)測(cè)一致，從而為該假說提供了第一個(gè)定量證據(jù)（相比而言，國(guó)際上的其它水合物成核假說尚沒有獲得定量證據(jù)的支持）。
該研究成果近期發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)的The Journal of Physical Chemistry B期刊上（Guo and Rodger. Solubility of aqueous methane under the metastable conditions: Implications for gas hydrate nucleation. J. Phys. Chem. B, 2013, 117：6498-6504）。