Hidrato de metano recuperado del fondo del océano frente a la costa de Oregón, ESTADOS UNIDOS. Crédito:Wikimedia Commons
En un artículo publicado esta semana en PNAS , Investigadores del Instituto Van 't Hoff de Ciencias Moleculares de la Universidad de Ámsterdam y del Centro de Modelado Multiescala de Ámsterdam proporcionan información atomística sobre la formación de hidratos de metano. Sobre la base de simulaciones de dinámica molecular, explican cómo se produce la selección entre polimorfos de hidrato de metano en competencia, y cómo esto podría generalizarse a otros hidratos y formación de cristales moleculares.
El hidrato de metano son sustancias sólidas parecidas al hielo que están presentes en abundancia, entre otros en los fondos oceánicos. Se estima que la cantidad de energía almacenada en los hidratos de metano es el doble de la cantidad de energía almacenada en los recursos convencionales de combustibles fósiles. Al mismo tiempo, La formación de hidratos es motivo de preocupación para la industria del petróleo, ya que pueden obstruir los oleoductos. causando problemas de flujo. Los hidratos de metano también están presentes en el permafrost en las regiones árticas. El deshielo del permafrost como resultado del aumento de las temperaturas globales puede provocar la liberación de grandes cantidades de metano. que es un potente gas de efecto invernadero.
Moléculas de metano encapsuladas
En un hidrato de metano, a nivel molecular, el metano está encapsulado dentro de una red de agua con enlaces de hidrógeno. Si bien el gas metano es hidrófobo en condiciones ambientales, a bajas temperaturas y altas presiones, una mezcla de agua y gas metano puede nuclearse espontáneamente en hidratos.
A través de los años, el interés por comprender el mecanismo de formación de los hidratos ha aumentado enormemente. En particular, su formación en condiciones naturales es poco conocida. Comprender el proceso de nucleación homogénea, y cómo esto conduce a diferentes polimorfos de hidrato de metano, puede conducir a un mejor control de la cristalización, así como información sobre la selección de polimorfos en general.
Los hallazgos se pueden resumir en una superficie de energía libre CNT idealizada en función del tamaño y la relación de la jaula para 275 K (azul), 280 K (rojo), y 285 K (verde). Las flechas indican esquemáticamente las rutas que atraviesan de líquido a sólido (flechas discontinuas:a la fase amorfa; flechas sólidas:a la fase cristalina). Mientras esté a bajas temperaturas (p. Ej., 275 K), la barrera de energía libre para nuclear el sólido amorfo es la más baja, la tendencia se invierte a temperaturas más altas (por ejemplo, 285 K), donde las rutas muestreadas terminan en su mayoría en la fase cristalina. A 280 K ambos mecanismos son accesibles. Crédito:HIMS / PNAS
Enfoque de simulación novedoso
Dado que la investigación experimental sobre la formación de los diferentes polimorfos de hidrato de metano adolece de una resolución limitada, Los investigadores de Ámsterdam dirigidos por el profesor Peter Bolhuis utilizaron simulaciones de dinámica molecular para proporcionar esa información.
Aplicar una simulación de dinámica molecular directa no es muy eficaz, porque a un subenfriamiento moderado la nucleación es un evento muy raro, debido a la presencia de una barrera energética muy alta. Tal simulación requeriría tiempos de cálculo más allá de la edad del Universo. Sin embargo, porque el evento de nucleación en sí mismo, aunque es raro, ocurre muy rápido (en una escala de tiempo de microsegundos), los investigadores podrían crear una gran colección de trayectorias de dinámica molecular que exhiban estos eventos rápidos. El análisis detallado posterior de estas trayectorias mostró cómo se lleva a cabo la selección entre los mecanismos de formación de polimorfos amorfos y cristalinos en competencia. Su artículo PNAS no solo arroja luz sobre la formación de hidratos de metano, pero también sobre otros compuestos de clatrato y la formación de cristales moleculares en general.
