Los hidratos de clatrato (Fig. 1) son estructuras de moléculas de agua en forma de jaula que albergan especies de gas huésped. Se forman cuando el gas interactúa con el hielo en condiciones de alta presión y baja temperatura. y se cree que influyen en la geología de la superficie y la composición de los cuerpos helados del Sistema Solar. Aunque la importancia de los clatratos se ha reconocido desde hace mucho tiempo, Los estudios previos de su formación y propiedades físicas han involucrado principalmente cálculos termodinámicos teóricos para estructuras producidas a partir de soluciones de agua pura. En una nueva investigación, publicado en Astronomía y Astrofísica , sin embargo, Se han investigado los hidratos de clatrato de dióxido de carbono (CO2) producidos a partir de soluciones salinas débiles. El equipo de investigadores, incluida la estudiante de doctorado, la Sra. Emmal Safi, utilizó la línea de luz de Difracción de Polvo de Alta Resolución (I11) en Diamond Light Source para realizar un estudio in situ de clatratos que son más relevantes para los producidos en los océanos salados de las lunas heladas. Los resultados indican diferencias sustanciales en las características de formación y propiedades físicas de los clatratos de CO2 en comparación con los que se forman a partir de soluciones de agua pura. Los nuevos hallazgos se pueden utilizar para ayudar a calibrar e informar modelos de formación de clatrato en la Tierra, y otros cuerpos planetarios.

Clatratos en el Sistema Solar exterior

La teledetección de Encelado, la luna de Saturno, ha revelado que tanto el hielo de agua como el CO2 están presentes en su superficie. y es un hábitat potencial para la vida microbiana extraterrestre. Además, las condiciones en esta luna, u otros satélites helados, pueden promover la formación de clatratos. En efecto, Se ha sugerido que la liberación de gases (por ejemplo, CO2) de los clatratos putativos es la fuente de las columnas de gas que emanan de la superficie de Encelado.

La formación de clatratos influye en la composición tanto del océano del que se forman como de la corteza de hielo que producen. Las propiedades físicas de estas estructuras son, por tanto, piezas importantes en el rompecabezas de la geología lunar helada. Hidratos de clatrato, sin embargo, son "notoriamente difíciles de estudiar en el laboratorio porque a menudo son difíciles de hacer a pedido", explica el Dr. Stephen Thompson, Científico senior de Beamline para I11 y co-investigador de este estudio. Hasta ahora, mediciones experimentales de dichos clatratos en condiciones físicamente relevantes, Por tanto, han faltado las condiciones análogas planetarias. Es más, Los cálculos termodinámicos que se utilizan generalmente para modelar las propiedades físicas de las estructuras pueden ser problemáticos. porque no necesariamente se pueden extrapolar a las condiciones de presión y temperatura relevantes.

Colaboración duradera

En la nueva investigación, parte de un proyecto de doctorado apoyado conjuntamente por Diamond y la Universidad de Keele, Los científicos utilizaron una técnica experimental especialmente desarrollada para medir las propiedades físicas de los hidratos de clatrato de CO2 en una variedad de condiciones relevantes para las lunas heladas. Fabricaron los clatratos de CO2 en el laboratorio a partir de tres soluciones congeladas de epsomita (un mineral de sulfato de magnesio), con el objetivo de replicar las condiciones de salinidad de los océanos en estos satélites. A continuación, se realizaron mediciones de difracción de polvo de rayos X de sincrotrón in situ de los clatratos en I11 a medida que la temperatura de las muestras se ciclaba entre 90 y 250 K, en el rango de presión de 5-20 bar. Se eligió la línea de luz I11 debido a su alta resolución simultánea, suministro de gas in situ, temperatura variable, y capacidades de medición rápida. Los datos resultantes permiten, pues, sondear la estructura cristalina de los clatratos en función de la temperatura, presión, y salinidad.

El éxito de estos experimentos es "particularmente emocionante para el equipo", dice el Dr. Thompson, porque "es el último paso de una colaboración de larga data entre Diamond y la Universidad de Keele que se remonta a 2010". Por ejemplo, La aplicación de las celdas de gas de alta presión y el procedimiento experimental utilizado en este trabajo son el producto de la investigación realizada por la Dra. Sarah Day durante su doctorado en la Universidad Diamond y Keele (la Dra. Day es ahora científica de apoyo senior del I11 y coautora de este artículo).

Papel de la salinidad

Los resultados experimentales indican que la formación de clatrato de CO2 se produce a temperaturas más bajas en las soluciones de epsomita que en los equivalentes de hielo de agua pura. Los datos también, inesperadamente, muestran que el polimorfo hexagonal del hielo es dominante en todos los experimentos, aunque la forma cúbica es termodinámicamente más estable a bajas temperaturas. El equipo atribuye esto a la presencia de epsomita en las soluciones. Los resultados revelan además que la densidad de los clatratos depende de la presión y la temperatura, y que tienen una densidad más alta que las soluciones a partir de las cuales se forman. Los clatratos de CO2 se hundirán así, en lugar de levantarse, en un océano salado y, por lo tanto, es posible que no contribuya directamente a la formación de las columnas de gas de Encelado.

Implicaciones y trabajo futuro

Este trabajo destaca la necesidad de datos experimentales en el estudio de clatratos en condiciones físicamente relevantes. Se requieren tales observaciones, además de los modelos teóricos, comprender completamente estas estructuras y evaluar su potencial en la Tierra como fuente de combustible (por ejemplo, clatratos de metano) o para el secuestro de carbono. Como parte de su trabajo continuo, El equipo pronto llevará a cabo experimentos similares en I11 para examinar las propiedades físicas de los hidratos de clatrato de metano formados en soluciones de sulfato de amonio. que son relevantes para el estudio de Titán, La luna más grande de Saturno.