In een artikel dat deze week is gepubliceerd in PNAS , onderzoekers van het Van 't Hoff Instituut voor Moleculaire Wetenschappen van de Universiteit van Amsterdam en het Amsterdam Centre for Multiscale Modeling geven atomistisch inzicht in de vorming van methaanhydraten. Op basis van moleculaire dynamica-simulaties leggen ze uit hoe selectie tussen concurrerende methaanhydraatpolymorfen plaatsvindt, en hoe dit kan worden gegeneraliseerd naar andere hydraten en moleculaire kristalvorming.

Methaanhydraat zijn ijsachtige vaste stoffen die overvloedig aanwezig zijn, onder andere op de oceaanbodem. Geschat wordt dat de hoeveelheid energie die is opgeslagen in methaanhydraten twee keer zo groot is als de hoeveelheid energie die is opgeslagen in conventionele bronnen van fossiele brandstoffen. Tegelijkertijd, de vorming van hydraten is een bron van zorg voor de aardolie-industrie omdat ze oliepijpleidingen kunnen verstoppen, doorstromingsproblemen veroorzaken. Methaanhydraten zijn ook aanwezig in de permafrost in arctische gebieden. Het ontdooien van de permafrost als gevolg van de stijgende wereldtemperaturen kan leiden tot het vrijkomen van grote hoeveelheden methaan, wat een krachtig broeikasgas is.

Ingekapselde methaanmoleculen

In een methaanhydraat, op moleculair niveau zit methaan opgesloten in een waterstofgebonden waternetwerk. Terwijl methaangas hydrofoob is onder omgevingsomstandigheden, bij lage temperaturen en hoge drukken kan een mengsel van water en methaangas spontaan kiemen tot hydraten.

Door de jaren heen, de interesse in het begrijpen van het vormingsmechanisme van hydraten is enorm toegenomen. Met name hun vorming onder natuurlijke omstandigheden is slecht begrepen. Het proces van homogene kiemvorming begrijpen, en hoe dit leidt tot verschillende methaanhydraatpolymorfen, kan leiden tot een betere controle van de kristallisatie, evenals inzicht in polymorfe selectie in het algemeen.

Nieuwe simulatiebenadering

Omdat experimenteel onderzoek naar de vorming van de verschillende methaanhydraatpolymorfen een beperkte resolutie heeft, de Amsterdamse onderzoekers onder leiding van professor Peter Bolhuis gebruikten moleculaire dynamica-simulaties om dat inzicht te verschaffen.

Het toepassen van een directe moleculaire dynamica-simulatie is niet erg effectief, omdat bij matige onderkoeling kiemvorming een zeer zeldzame gebeurtenis is, door de aanwezigheid van een zeer hoge energiebarrière. Een dergelijke simulatie zou rekentijden vergen die verder gaan dan de leeftijd van het heelal. Echter, omdat de kiemvorming op zichzelf, hoewel zeldzaam, gebeurt zeer snel (op een microseconde tijdschaal), de onderzoekers zouden een grote verzameling moleculaire dynamica-trajecten kunnen creëren die deze snelle gebeurtenissen vertonen. Daaropvolgende gedetailleerde analyse van deze trajecten toonde aan hoe selectie tussen concurrerende amorfe en kristallijne polymorfe vormingsmechanismen plaatsvindt. Hun PNAS-papier werpt niet alleen licht op de vorming van methaanhydraten, maar ook op andere clathraatverbindingen en moleculaire kristalvorming in het algemeen.