Molekylær dynamiksimulering kaster nyt lys over metanhydratdannelse

I et papir, der blev offentliggjort i denne uge i PNAS , forskere ved University of Amsterdams Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences og Amsterdam Center for Multiscale Modeling giver atomistisk indsigt i dannelsen af ​​metanhydrater. På grundlag af molekylære dynamiksimuleringer forklarer de, hvordan valg mellem konkurrerende methanhydratpolymorfer sker, og hvordan dette kan generaliseres til andre hydrater og molekylær krystaldannelse.

Methanhydrat er islignende faste stoffer, der er rigeligt til stede, blandt andet ved havbunden. Det anslås, at mængden af ​​energi, der er lagret i methanhydrater, er dobbelt så stor som den mængde energi, der er lagret i konventionelle fossile brændstoffer. På samme tid, dannelsen af ​​hydrater bekymrer olieindustrien, da de kan tilstoppe olierørledninger, forårsager flowproblemer. Methanhydrater er også til stede i permafrosten i arktiske områder. Optøning af permafrosten som følge af stigende globale temperaturer kan føre til frigivelse af store mængder metan, som er en kraftig drivhusgas.

Kemiske metanmolekyler

I et metanhydrat, på molekylært niveau er metan indkapslet inde i et hydrogenbundet vandnetværk. Mens metangas er hydrofob under omgivelsesbetingelser, ved lave temperaturer og høje tryk kan en blanding af vand og metangas spontant nukleere til hydrater.

I årenes løb, interessen for at forstå hydraters dannelsesmekanisme er steget enormt. Især deres dannelse under naturlige forhold er dårligt forstået. Forståelse af processen med homogen nukleation, og hvordan dette fører til forskellige metanhydratpolymorfer, kan føre til forbedret kontrol af krystallisation, samt indsigt i polymorfvalg generelt.

Ny tilgang til simulering

Da eksperimentel forskning om dannelsen af ​​de forskellige methanhydratpolymorfer lider under begrænset opløsning, Amsterdam -forskerne under ledelse af professor Peter Bolhuis brugte molekylære dynamiksimuleringer for at give sådan indsigt.

Anvendelse af en direkte molekylær dynamiksimulering er ikke særlig effektiv, fordi ved moderat afkøling er nukleation en meget sjælden hændelse, på grund af tilstedeværelsen en meget høj energibarriere. En sådan simulering ville kræve beregningstider ud over universets alder. Imidlertid, fordi kernehændelsen i sig selv, mens det er sjældent, sker meget hurtigt (på en mikrosekund tidsskala), forskerne kunne oprette en stor samling af molekylære dynamikbaner, der udviser disse hurtige begivenheder. Efterfølgende detaljeret analyse af disse baner viste, hvordan selektion mellem konkurrerende amorfe og krystallinske polymorfe dannelsesmekanismer finder sted. Deres PNAS -papir kaster ikke kun lys over dannelsen af ​​metanhydrater, men også på andre clathratforbindelser og molekylær krystaldannelse generelt.