Een enorme hoeveelheid van het krachtige broeikasgas wordt als bevroren kristallen in de oceanen van de wereld opgeslagen. Experts maken zich grote zorgen over het groeiende risico dat, naarmate de aarde opwarmt en de temperatuur van de oceaan stijgt, deze zeer ontwrichtende, krachtige broeikasgassen hun bevroren opsluiting zullen "ontvluchten".

Om de stabiliteit van deze kristallijne koolwaterstofafzettingen te begrijpen, starten Ryan Hartman, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering aan de NYU Tandon School of Engineering en Carolyn Koh van de Colorado School of Mines een onderzoek naar hoe dit "vuurijs" zich vormt binnen een medium van sedimentaire minerale afzettingen en blijft in vaste vorm onder specifieke drukken en temperaturen.

Het werk, "Kinetics of Gas Hydrate Crystallization and Dissociation in Tailored Confined Media" zal zich richten op de structureel idiosyncratische vorming van gasclathraathydraten, de kristallijne roosters van waterstofgebonden watermoleculen die kleine koolwaterstof (gas) moleculen zoals methaan inkapselen.

De nieuwe studie, die een uitbreiding vormt van het eerder dit jaar uitgevoerde onderzoek naar mariene biosymbiose die wordt beïnvloed door en invloed heeft op bevroren hydraten, onderzoekt gashydraatkristallisatie in nanoporiën - poriën of holtes in een stof waarvan de afmetingen kunnen worden gemeten op nanometerschaal. In oceanen over de hele wereld vormen zich hydraatkristallen in de nanoporiën van sedimentaire materialen van de arctische permafrost tot een reeks diepzeemilieus.

De heterogene materialen hebben ingrijpende gevolgen voor energie en klimaatverandering, vooral in diepere wateren, waar deze structuren domineren:hoewel het vitale, energierijke entiteiten zijn die zich spontaan vormen uit water en kleine hydrofobe moleculen onder specifieke temperatuur- en drukomstandigheden, houden ze ook zeer vluchtige broeikasgassen onder bevroren "slot en sleutel".

Hij voegde eraan toe dat dit voor gashydraten in nanoporiën minder een probleem zal zijn. "Dit verbetert hun stabiliteit", zei hij. "Kristalisatie in de nanoporiën kan bijvoorbeeld de smeltpunttemperatuur en samenstelling van bevroren hydraten veranderen, en ook de snelheid waarmee het gas eruit vrijkomt, in vergelijking met bulkkristallisaties, waarbij geen nanoporiën betrokken zijn."

Hydraatvorming is een nucleatie- en groeifenomeen; er is een kritische kristalgrootte waarboven de thermodynamica de voorkeur geeft aan groei boven oplossen. Hoewel homogene kiemvorming van deze kritische grootte mogelijk is in bulkwater, is het bekend dat heterogene kiemvorming - de vorming van hydraatkristallen in tussenruimten van andere minerale bestanddelen - een dominant proces is in natuurlijke en synthetische hydraten.

Hoewel gevonden is dat de meeste hydraten kristalliseren in besloten media (kristallisatie in besloten ruimtes is een opkomend onderzoeksgebied), hebben tot nu toe slechts een handvol onderzoeken de invloed bestudeerd die poreuze materialen hebben op hydraatkristallisatie.

Het team streeft naar fundamenteel begrip van moleculair tot porie van hydraatkristallisatiemechanismen in opsluiting, gedefinieerd als kristallisatie beperkt tot:i) gas-vloeistof of gas-vloeistof vaste interfaces op microschaal en ii) zeer geordende, geometrische nano- en microschaal gestructureerde oppervlakken.

"Wij geloven dat de aard van de nanoporiën bepalend is voor de gashydraten die in nano-opsluiting worden genucleëerd, evenals hun resulterende moleculaire structuurtype en hun kristallisatie- en dissociatiekinetiek", zei Hartman.

Hartman en Koh zullen microfluïdische systemen gebruiken, een belangrijk onderzoeksgebied en expertise voor Hartman, om zeer geordende nanoporeuze structuren te ontwerpen om te onderzoeken waarom nanoporiëngeometrie de genucleëerde hydraatkenmerken regelt, en ook om te begrijpen waarom deze kenmerken de resulterende hydraatkinetiek beïnvloeden. . Het team wil ook de rol bepalen die opsluiting speelt bij kristalgroei voorbij de uitgangen van de nanoporiën. Ze zullen machine learning gebruiken, waarbij gegevens van ontdekkingen op porieschaal van geavanceerde experimenten worden gebruikt om eerste-principemodellen te bouwen en ontwerpregels te genereren.

"We denken dat dit werk een diepgaande impact zal hebben op de bredere wetenschappelijke gemeenschap door de mechanismen te ontdekken van hiërarchische kristallisaties in opsluiting en, meer in het algemeen, van materialen die kleine moleculen kunnen vangen," voegde hij eraan toe. "Het onderzoek zou ook de manier kunnen veranderen waarop laboratoriumberekeningen werken in combinatie met geavanceerde experimentele methoden voor materiaalsynthese en productie."

Het werk zal creatieve fysische experimentele synthese- en verwerkingstechnieken, kunstmatige-intelligentiemethoden en in situ realtime monitoringtools koppelen voor het meten van high-fidelity, tijdelijke informatie over beperkte kristallisatie en dissociatie.