Gasclathraathydraten zijn ijsachtige vaste stoffen, waarin gasmoleculen of atomen zijn opgesloten in kristallijne raamwerken gevormd door watermoleculen. Ze hebben het afgelopen decennium veel aandacht getrokken vanwege hun potentieel als geo-organische brandstofbron, omdat ze zich van nature in grote hoeveelheden vormen in mariene sedimenten en onder continentale permafrost. Het uitwisselen van gastgassen in bestaande methaanhydraatafzettingen met CO2 is onlangs ook aangegeven als een veelbelovende twee-in-één benadering van energieterugwinning en gelijktijdige vermindering van kooldioxide.

Op moleculaire schaal, gasclathraathydraten worden gekenmerkt door polyedrische waterkooien in verschillende vormen en maten. Die kooien kunnen op verschillende manieren worden gecombineerd tot een kristallijne structuur. Tot dusver zijn vier verschillende structuren bekend en de twee meest voorkomende daarvan worden in het algemeen clathraatstructuren I en II genoemd. De gasmoleculen of atomen bezetten het midden van de kooien; ze zijn efficiënt gevangen en kunnen nauwelijks ontsnappen.

De gasmoleculen of atomen kunnen echter diffunderen tijdens niet-evenwichtsprocessen. Zoals vorming of afbraak van een clathraatstructuur, of conversie tussen verschillende structuren. Hun diffusie speelt zelfs een hoofdrol tijdens dergelijke processen en sommige stadia van deze sleutelfenomenen zijn gasdiffusie-beperkt. Het begrijpen van het mechanisme van gasdiffusie is dus cruciaal om de levensvatbaarheid te bewijzen van alle energietoepassingen waarbij gasclathraathydraten betrokken zijn.

Voor clathraathydraten van methaan, structuur I is de thermodynamisch geprefereerde structuur, en structuur II is een metastabiele vorm die kinetisch de voorkeur geniet en tijdelijk wordt gedetecteerd in de beginfasen van het hydraatvormingsproces. Opmerkelijk, structuur II kan blijvend naast structuur I bestaan ​​in methaanclathraathydraten onder hoge druk.

Een recent onderzoek uitgevoerd door een internationaal samenwerkingsverband van onderzoeksinstituten (Institut Laue-Langevin (ILL), École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Universiteit van Göttingen, en University Pierre en Marie Curie) heeft gebruik gemaakt van de uitzonderlijke persistentie van methaanclathraathydraten met structuur II onder hoge druk, om de translationele diffusie van methaanmoleculen op het grensvlak van clathraatstructuren I en II te meten. Quasielastische neutronenverstrooiingsexperimenten onder een hoge druk van 0,8 GPa werden uitgevoerd bij ILL om deze waarnemingen te doen.

Dit werd bereikt door gebruik te maken van een speciaal hogedrukapparaat:een Paris-Edinburgh pers. Met de IN6-spectrometer van het ILL kon het team de diffusie van methaanmoleculen op het grensvlak van de twee clathraatstructuren op de picoseconde tijd- en Å-lengteschalen meten.

Deze bevindingen laten zien dat translatie van methaan opmerkelijk snel is op het grensvlak van clathraatstructuren I en II. De verkregen diffusiecoëfficiënten zijn een orde van grootte hoger dan die van methaan opgelost in water bij lage druk, en een factor twee tot drie hoger dan verwacht voor zuiver bulk superkritisch methaan bij vergelijkbare druk en temperatuur.

Umbertoluca Ranieri, Promovendus bij ILL en EPFL, en hoofdauteur van deze studie zegt:"Deze resultaten zijn belangrijk bij het verbeteren van ons begrip van veel fundamentele niet-evenwichtsverschijnselen waarbij methaanclathraathydraten betrokken zijn; bijvoorbeeld, de vervangingskinetiek tijdens gasuitwisseling bij conversie tussen de clathraatstructuren I en II. Deze kennis zal ons ook helpen om in de toekomst belangrijke energie- en milieuproblemen aan te pakken, zoals het terugwinnen van methaan uit sedimenten van mariene hydraten en het afvangen van kooldioxide."

Naast deze vorderingen, de hogedrukeigenschappen van methaanclathraathydraten zijn ook cruciaal voor de planetaire wetenschap. Er wordt aangenomen dat clathraathydraten van methaan de belangrijkste methaandragende fasen zijn in het binnenste van sommige ijzige lichamen van het heelal. Daarom, de resultaten van deze studie kunnen worden gebruikt in toekomstige modellen van methaanclathraathydratenlagen ingebed in de cryosfeer van dergelijke lichamen, waar hoge druk wordt ervaren.