實現冰對甲烷水合物成核影響的分子動力學模擬

甲烷水合物是一種由水分子和甲烷分子組成的晶體化合物，廣泛存在於大陸邊緣的海底和永久凍土地帶。冰作為一種同樣由水分子組成的晶體，常被用於合成甲烷水合物。但是，冰影響甲烷水合物形成的機理依然不甚清楚。

科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室博士后張正財與研究員郭光軍使用高精度恆能量分子動力學模擬，在冰-溶液-氣體三相體系中進行了微秒級的甲烷水合物成核模擬，並考慮了甲烷水合物相對於冰的成核位置、冰-水合物界面的水分子環以及冰的不同晶面等因素對甲烷水合物成核的影響。

模擬結果顯示，甲烷水合物既可以在冰表面發生異相成核，也可以在溶液相中發生均相成核。冰表面對甲烷分子的吸附，水合物和冰結構之間的氫鍵以及冰對水合物成核所釋放熱的吸收都可以促進水合物籠子在冰表面形成，從而致使水合物更易在冰表面成核。但是，水合物和冰結構的不兼容性以及冰表面的親水性則會削弱冰表面對水合物成核的促進效果。同時，他們發現冰和水合物結構之間通過五邊形和六邊形的水環相連接，冰的不同晶面不會對水合物成核產生影響。

該研究用冰吸收水合物生成熱的方法，第一次成功實現了在實驗中觀察到隨著水合物形成，冰粒表層逐漸退縮的現象。

以上研究成果近期發表在英國皇家化學學會期刊Physical Chemistry Chemical Physics（2017,19（29）: 19496-19505）上。（來源：科學院地質與地球物理研究所）

甲烷水合物既可以在冰表面發生異相成核（軌跡1），也可以在溶液相中發生均相成核（軌跡2）。冰顯示為藍色；水合物中氧原子和氫原子分別顯示為紅色和白色；甲烷顯示為黃褐色（位於512籠子中）和青色（位於其他籠子中）。

在成核誘導期，沿著z軸方向水合物籠子密度的概率分佈，淡藍色區域為冰/溶液界面