Når havene bliver varme, vil metan-Kraken blive frigivet?

En stor mængde af den kraftige drivhusgas er sekvestreret som frosne krystaller i verdenshavene. Til stor bekymring blandt eksperter er den voksende risiko for, at disse stærkt forstyrrende, potente drivhusgasser vil "flygte" fra deres frosne indeslutning, efterhånden som Jorden opvarmes og havets temperatur stiger.

For at forstå stabiliteten af ​​disse krystallinske kulbrinteaflejringer lancerer Ryan Hartman, lektor i Chemical and Biomolecular Engineering ved NYU Tandon School of Engineering og Carolyn Koh fra Colorado School of Mines en undersøgelse af, hvordan denne "ildis" dannes inden for en medium af sedimentære mineralaflejringer og forbliver i fast form under bestemte tryk og temperaturer.

Arbejdet, "Kinetics of Gas Hydrate Crystallization and Dissociation in Tailored Confined Media" vil fokusere på den strukturelt idiosynkratiske dannelse af gasclathrathydrater, de krystallinske gittere af hydrogenbundne vandmolekyler, der indkapsler små kulbrinte (gas) molekyler såsom methan.

Specifikt udforsker det nye studie, som udvider forskningen udført tidligere i år om marin biosymbiose påvirket af og påvirker frosne hydrater, gashydratkrystallisering i nanoporer - porer eller hulrum i et stof, hvis dimensioner kan måles på nanometerskalaen. I verdenshavene dannes hydratkrystaller i nanoporerne i sedimentære materialer fra den arktiske permafrost til en række dybe havmiljøer.

De heterogene materialer har dybtgående implikationer for energi og klimaændringer, især i dybere farvande, hvor disse strukturer dominerer:mens de er vitale, energirige enheder, der dannes spontant af vand og små hydrofobe molekyler under specifikke temperatur- og trykforhold, holder de også meget flygtige drivhusgasser under frosset "lås og nøgle".

Han tilføjede, at for gashydrater i nanoporer vil dette være mindre af et problem. "Dette øger deres stabilitet," sagde han. "For eksempel kan krystallisation i nanoporerne ændre smeltepunktstemperaturen og sammensætningen af ​​frosne hydrater, og også den hastighed, hvormed gassen frigives fra dem, sammenlignet med bulkkrystallisationer, uden at involvere nanoporer."

Hydratdannelse er et kernedannelses- og vækstfænomen; der er en kritisk krystalstørrelse ud over hvilken termodynamik favoriserer vækst frem for opløsning. Mens homogen kernedannelse af denne kritiske størrelse er mulig i bulkvand, er det kendt, at heterogen kernedannelse - dannelsen af ​​hydratkrystaller i mellemrummene af andre mineralske bestanddele - er en dominerende proces i naturlige og syntetiske hydrater.

Mens størstedelen af ​​hydrater har vist sig at krystallisere i indelukkede medier (krystallisation i lukkede rum er et spirende forskningsområde), har kun en håndfuld undersøgelser til dato studeret den indflydelse, som porøse materialer har på hydratkrystallisation.

Holdet sigter på at opdage grundlæggende molekylær-til-pore-forståelse af hydratkrystallisationsmekanismer i indeslutning, defineret som krystallisation begrænset til:i) mikroskala gas-væske eller gas-væske faste grænseflader og ii) meget ordnet, geometrisk nano- og mikroskala strukturerede overflader.

"Vi mener, at naturen af ​​nanoporerne bestemmer gashydraterne, der dannes i nanoindeslutning, såvel som deres resulterende molekylære strukturtype og deres krystallisations- og dissociationskinetik," sagde Hartman.

Hartman og Koh vil bruge mikrofluidiske systemer, et nøgleområde for undersøgelser og ekspertise for Hartman, til at designe meget velordnede nanoporøse strukturer for at finde ud af, hvorfor nanopore-geometrien kontrollerer de nukleerede hydratkarakteristika, samt for at forstå, hvorfor disse karakteristika påvirker den resulterende hydratkinetik . Holdet sigter også efter at bestemme, hvilken rolle indeslutning har på krystalvækst ud over nanopore-udgangene. De vil bruge maskinlæring og inkorporere data fra opdagelser i poreskala fra avanceret eksperimentering for at bygge første-princip-modeller og generere designregler.

"Vi tror, ​​at dette arbejde vil have en dybtgående indvirkning på det bredere videnskabelige samfund ved at opdage mekanismerne for hierarkiske krystalliseringer i indespærring og mere generelt af materialer, der kan fange små molekyler," tilføjede han. "Forskningen kan også ændre den måde, hvorpå laboratorieberegninger fungerer sammen med avancerede eksperimentelle metoder til materialesyntese og -fremstilling."

Arbejdet vil koble kreative fysiske eksperimentelle syntese- og bearbejdningsteknikker, kunstig intelligens metoder og in situ realtidsovervågningsværktøjer til måling af high fidelity, forbigående information om begrænset krystallisation og dissociation.