Neutroner afslører hurtig metan -translationel diffusion ved grænsefladen mellem to klathratstrukturer

Gasclathrat-hydrater er islignende faste stoffer, hvor gasmolekyler eller atomer er fanget inde i krystallinske rammer dannet af vandmolekyler. De har tiltrukket betydelig opmærksomhed i løbet af det sidste årti for deres potentiale som en geo-organisk brændstofressource, som de naturligt dannes i store mængder inden for marine sedimenter og under kontinental permafrost. Udveksling af gæstegasserne i eksisterende metanhydrataflejringer med CO2 er også for nylig blevet angivet som en lovende to-i-en-tilgang til energigenvinding og samtidig kuldioxidreducering.

På molekylær skala, gasclathrat -hydrater er kendetegnet ved polyhedrale vandbure i forskellige former og størrelser. Disse bure kan kombineres på forskellige måder for at danne en krystallinsk struktur. Fire forskellige strukturer kendes hidtil, og de to mest almindelige blandt dem betegnes generelt som klathratstrukturer I og II. Gasmolekylerne eller atomerne indtager midten af ​​burene; de er effektivt fanget og kan næsten ikke flygte.

Gasmolekylerne eller atomerne er imidlertid i stand til at diffundere under ikke-ligevægtsprocesser. Såsom dannelse eller nedbrydning af en clathratstruktur, eller konvertering mellem forskellige strukturer. Deres spredning spiller endda en afgørende rolle under sådanne processer, og nogle faser af disse centrale fænomener er begrænset til gasdiffusion. Forståelse af mekanismen for gasdiffusion er således afgørende for at bevise levedygtigheden af ​​alle energianvendelser, der involverer gasclathrat -hydrater.

For clathrat -hydrater af metan, struktur I er den termodynamisk foretrukne struktur, og struktur II er en metastabil form, der er kinetisk begunstiget og midlertidigt påvist i de indledende faser af hydratdannelsesprocessen. Bemærkelsesværdigt, struktur II kan vedvarende sameksistere med struktur I i methanklathrat -hydrater under højt tryk.

En nylig undersøgelse foretaget af et internationalt samarbejde mellem forskningsinstitutter (Institut Laue-Langevin (ILL), École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), University of Göttingen, og universitetet Pierre og Marie Curie) har udnyttet den usædvanlige vedholdenhed af struktur II -metan -clathrat -hydrater under højt tryk, for at måle translationel diffusion af methanmolekyler ved grænsefladen mellem klathratstrukturer I og II. Kvasielastiske neutronspredningsforsøg under et højt tryk på 0,8 GPa blev udført ved ILL for at foretage disse observationer.

Dette blev opnået ved at bruge et dedikeret højtryksapparat:en Paris-Edinburgh presse. IN6 -spektrometeret ved ILL tillod teamet at måle diffusionen af ​​metanmolekyler ved grænsefladen mellem de to klathratstrukturer på picosekundtid og Å -længde skalaer.

Disse fund viser, at metan -translationel diffusion er bemærkelsesværdig hurtig ved grænsefladen mellem klathratstrukturer I og II. De opnåede diffusionskoefficienter er en størrelsesorden højere end metan opløst i vand ved lavt tryk, og en faktor på to til tre højere end forventet for ren bulk superkritisk metan ved sammenligneligt tryk og temperatur.

Umbertoluca Ranieri, Ph.d. -studerende på ILL og EPFL, og hovedforfatter af denne undersøgelse siger:"Disse resultater er vigtige for at forbedre vores forståelse af mange grundlæggende ikke-ligevægtsfænomener, der involverer methanklathrathydrater; f.eks. erstatningskinetikken under gasudveksling i tilfælde af omdannelse mellem clathratstrukturerne I og II. Denne viden vil også hjælpe os med at tackle vigtige energi- og miljøspørgsmål som metanindvinding fra marine hydratsedimenter og kuldioxidopsamling i fremtiden. "

Ud over disse fremskridt, højtryksegenskaberne af methanklathrathydrater er også afgørende for planetarisk videnskab. Clathrat-hydrater af metan menes at være de vigtigste metanbærende faser i interiøret i nogle iskolde kroppe i universet. Derfor, resultaterne af denne undersøgelse kan bruges i fremtidige modeller af methanklatrathydratlag lagret i kryosfæren i sådanne legemer, hvor der opleves højt tryk.