Una gran cantidad del poderoso gas de efecto invernadero es secuestrada en forma de cristales congelados en los océanos del mundo. De gran preocupación entre los expertos es el creciente riesgo de que, a medida que la Tierra se calienta y la temperatura de los océanos aumenta, estos potentes gases de efecto invernadero altamente perturbadores "huyen" de su confinamiento congelado.

Para comprender la estabilidad de estos depósitos de hidrocarburos cristalinos, Ryan Hartman, profesor asociado de Ingeniería Química y Biomolecular en la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York y Carolyn Koh de la Escuela de Minas de Colorado están iniciando una investigación sobre cómo se forma este "hielo de fuego" dentro de un medio de depósitos minerales sedimentarios y permanece en forma sólida bajo presiones y temperaturas específicas.

El trabajo, "Cinética de la cristalización y disociación de hidratos de gas en medios confinados a medida" se centrará en la formación estructuralmente idiosincrásica de hidratos de clatrato de gas, las redes cristalinas de moléculas de agua unidas por hidrógeno que encapsulan pequeñas moléculas de hidrocarburo (gas) como el metano.

Específicamente, el nuevo estudio, que amplía la investigación realizada a principios de este año sobre la biosimbiosis marina influenciada por los hidratos congelados y que influye en ellos, explora la cristalización de hidratos de gas en nanoporos:poros o cavidades en una sustancia cuyas dimensiones se pueden medir a escala nanométrica. En los océanos de todo el mundo, se forman cristales de hidratos dentro de los nanoporos de materiales sedimentarios desde el permafrost ártico hasta una variedad de entornos marinos profundos.

Los materiales heterogéneos tienen profundas implicaciones para la energía y el cambio climático, particularmente en aguas más profundas, donde dominan estas estructuras:si bien son entidades vitales ricas en energía que se forman espontáneamente a partir del agua y pequeñas moléculas hidrofóbicas bajo condiciones específicas de temperatura y presión, también mantienen gases de efecto invernadero altamente volátiles bajo "cerradura y llave" congelada.

Agregó que para los hidratos de gas dentro de los nanoporos, esto será un problema menor. "Esto mejora su estabilidad", dijo. "Por ejemplo, la cristalización en los nanoporos puede cambiar la temperatura del punto de fusión y la composición de los hidratos congelados, y también la velocidad a la que se libera el gas, en comparación con las cristalizaciones a granel, que no involucran nanoporos".

La formación de hidratos es un fenómeno de nucleación y crecimiento; hay un tamaño de cristal crítico más allá del cual la termodinámica favorece el crecimiento sobre la disolución. Si bien la nucleación homogénea de este tamaño crítico es posible en agua a granel, se sabe que la nucleación heterogénea (la formación de cristales de hidrato dentro de los intersticios de otros constituyentes minerales) es un proceso dominante en los hidratos naturales y sintéticos.

Si bien se ha descubierto que la mayoría de los hidratos cristalizan en medios confinados (la cristalización en espacios confinados es un área emergente de investigación), solo unas pocas investigaciones hasta la fecha han estudiado la influencia que tienen los materiales porosos en la cristalización de los hidratos.

El equipo tiene como objetivo descubrir la comprensión fundamental de molecular a poro de los mecanismos de cristalización de hidratos en confinamiento, definidos como cristalización restringida a:i) interfaces gas-líquido o sólido gas-líquido a microescala y ii) nanoescala y microescala geométrica altamente ordenada. superficies estructuradas.

“Creemos que la naturaleza de los nanoporos determina los hidratos de gas nucleados en el nanoconfinamiento, así como su tipo de estructura molecular resultante y su cinética de cristalización y disociación”, dijo Hartman.

Hartman y Koh utilizarán sistemas de microfluidos, un área clave de investigación y experiencia para Hartman, para diseñar estructuras nanoporosas altamente ordenadas para afinar por qué la geometría de los nanoporos controla las características de los hidratos nucleados, así como para comprender por qué estas características influyen en la cinética de los hidratos resultantes. . El equipo también tiene como objetivo determinar el papel que tiene el confinamiento en el crecimiento de cristales más allá de las salidas de los nanoporos. Usarán aprendizaje automático, incorporando datos de descubrimientos a escala de poros de experimentación avanzada para construir modelos de primer principio y generar reglas de diseño.

"Creemos que este trabajo tendrá un profundo impacto en la comunidad científica en general al descubrir los mecanismos de cristalizaciones jerárquicas en confinamiento y, en general, de materiales que pueden atrapar moléculas pequeñas", agregó. "La investigación también podría transformar la forma en que los cálculos de laboratorio funcionan en conjunto con métodos experimentales avanzados para la síntesis y fabricación de materiales".

El trabajo combinará técnicas creativas de procesamiento y síntesis experimental física, métodos de inteligencia artificial y herramientas de monitoreo en tiempo real in situ para la medición de información transitoria de alta fidelidad sobre cristalización confinada y disociación.