Los hidratos de clatrato gaseoso son sólidos parecidos al hielo, en el que moléculas de gas o átomos quedan atrapados dentro de estructuras cristalinas formadas por moléculas de agua. Han atraído una atención considerable durante la última década por su potencial como recurso combustible geoorgánico, ya que se forman naturalmente en grandes cantidades dentro de los sedimentos marinos y debajo del permafrost continental. El intercambio de los gases invitados en los depósitos de hidrato de metano existentes con CO2 también se ha indicado recientemente como un enfoque prometedor dos en uno de recuperación de energía y mitigación concomitante de dióxido de carbono.

A escala molecular, Los hidratos de clatrato gaseoso se caracterizan por tener jaulas de agua poliédricas de diferentes formas y tamaños. Esas jaulas se pueden combinar de diferentes formas para formar una estructura cristalina. Hasta ahora se conocen cuatro estructuras diferentes y las dos más comunes entre ellas se denominan generalmente estructuras de clatrato I y II. Las moléculas de gas o átomos ocupan el centro de las jaulas; están atrapados de manera eficiente y apenas pueden escapar.

Sin embargo, las moléculas de gas o los átomos pueden difundirse durante los procesos de no equilibrio. Como la formación o descomposición de una estructura de clatrato, o conversión entre diferentes estructuras. Su difusión incluso juega un papel primordial durante tales procesos y algunas etapas de estos fenómenos clave están limitadas por la difusión del gas. Por lo tanto, comprender el mecanismo de difusión de gas es crucial para demostrar la viabilidad de todas las aplicaciones energéticas que involucran hidratos de clatrato de gas.

Para hidratos de clatrato de metano, La estructura I es la estructura preferida termodinámicamente, y la estructura II es una forma metaestable que se favorece cinéticamente y se detecta transitoriamente en las etapas iniciales del proceso de formación de hidratos. Notablemente, la estructura II puede coexistir persistentemente con la estructura I en los hidratos de clatrato de metano a alta presión.

Un estudio reciente realizado por una colaboración internacional de institutos de investigación (Institut Laue-Langevin (ILL), École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Universidad de Göttingen, y la Universidad Pierre y Marie Curie) ha aprovechado la excepcional persistencia de los hidratos de clatrato de metano de estructura II a alta presión, para medir la difusión traslacional de moléculas de metano en la interfaz de las estructuras de clatrato I y II. Se llevaron a cabo experimentos de dispersión de neutrones cuasielásticos bajo una alta presión de 0,8 GPa en ILL para realizar estas observaciones.

Esto se logró mediante el uso de un aparato de alta presión dedicado:una prensa París-Edimburgo. El espectrómetro IN6 en el ILL permitió al equipo medir la difusión de moléculas de metano en la interfaz de las dos estructuras de clatrato en las escalas de tiempo de picosegundos y longitud de Å.

Estos hallazgos revelan que la difusión traslacional del metano es notablemente rápida en la interfaz de las estructuras de clatrato I y II. Los coeficientes de difusión obtenidos son un orden de magnitud superiores a los del metano disuelto en agua a baja presión, y un factor de dos a tres más alto que el esperado para el metano supercrítico a granel puro a presión y temperatura comparables.

Umbertoluca Ranieri, Estudiante de doctorado en ILL y EPFL, y el autor principal de este estudio dice:"Estos resultados son importantes para mejorar nuestra comprensión de muchos fenómenos fundamentales de desequilibrio que involucran a los hidratos de clatrato de metano; por ejemplo, la cinética de reemplazo durante el intercambio de gases en caso de conversión entre las estructuras de clatrato I y II. Este conocimiento también nos ayudará a abordar importantes problemas energéticos y ambientales, como la recuperación de metano de los sedimentos de hidratos marinos y la captura de dióxido de carbono en el futuro ".

Además de estos avances, Las propiedades de alta presión de los hidratos de clatrato de metano también son cruciales para la ciencia planetaria. Se cree que los hidratos de clatrato de metano son las principales fases portadoras de metano en el interior de algunos cuerpos helados del Universo. Por lo tanto, Los resultados de este estudio podrían utilizarse en futuros modelos de capas de hidratos de clatrato de metano incrustadas en la criosfera de dichos cuerpos. donde se experimenta alta presión.