Gli idrati di gas clatrato sono solidi simili al ghiaccio, in cui molecole o atomi di gas sono intrappolati all'interno di strutture cristalline formate da molecole d'acqua. Hanno attirato una notevole attenzione nell'ultimo decennio per il loro potenziale come risorsa di combustibile geo-organico, poiché si formano naturalmente in grandi quantità all'interno dei sedimenti marini e al di sotto del permafrost continentale. Anche lo scambio dei gas ospiti nei depositi esistenti di idrato di metano con CO2 è stato recentemente indicato come un promettente approccio due in uno per il recupero energetico e la concomitante mitigazione dell'anidride carbonica.

Sulla scala molecolare, i gas clatrati idrati sono caratterizzati da gabbie d'acqua poliedriche di diverse forme e dimensioni. Queste gabbie possono essere combinate in modi diversi per formare una struttura cristallina. Finora sono note quattro diverse strutture e le due più comuni tra loro sono generalmente indicate come strutture clatrate I e II. Le molecole o atomi di gas occupano il centro delle gabbie; sono intrappolati in modo efficiente e riescono a malapena a fuggire.

Tuttavia, le molecole o gli atomi di gas sono in grado di diffondere durante i processi di non equilibrio. Come la formazione o la decomposizione di una struttura clatratica, o conversione tra diverse strutture. La loro diffusione svolge anche un ruolo fondamentale durante tali processi e alcune fasi di questi fenomeni chiave sono limitate dalla diffusione del gas. Comprendere il meccanismo di diffusione del gas è quindi cruciale per dimostrare la fattibilità di tutte le applicazioni energetiche che coinvolgono idrati di clatrato di gas.

Per clatrati idrati di metano, la struttura I è la struttura termodinamicamente preferita, e la struttura II è una forma metastabile che è cineticamente favorita e rilevata transitoriamente nelle fasi iniziali del processo di formazione degli idrati. Sorprendentemente, la struttura II può coesistere persistentemente con la struttura I in idrati di metano clatrato ad alta pressione.

Un recente studio condotto da una collaborazione internazionale di istituti di ricerca (Institut Laue-Langevin (ILL), École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Università di Gottinga, e Università Pierre e Marie Curie) ha sfruttato l'eccezionale persistenza degli idrati di metano clatrato di struttura II ad alta pressione, per misurare la diffusione traslazionale delle molecole di metano all'interfaccia delle strutture clatrate I e II. Esperimenti di diffusione quasielastica di neutroni ad alta pressione di 0,8 GPa sono stati condotti all'ILL per fare queste osservazioni.

Ciò è stato ottenuto utilizzando un apparato ad alta pressione dedicato:una pressa Paris-Edimburgo. Lo spettrometro IN6 presso l'ILL ha permesso al team di misurare la diffusione delle molecole di metano all'interfaccia delle due strutture clatrate sulle scale del tempo del picosecondo e della lunghezza .

Questi risultati rivelano che la diffusione traslazionale del metano è notevolmente veloce all'interfaccia delle strutture clatrate I e II. I coefficienti di diffusione ottenuti sono di un ordine di grandezza superiori a quelli del metano disciolto in acqua a bassa pressione, e un fattore da due a tre superiore a quello previsto per il metano supercritico sfuso puro a pressione e temperatura comparabili.

Umberto Luca Ranieri, Studente di dottorato presso ILL e EPFL, e l'autore principale di questo studio afferma:"Questi risultati sono importanti per migliorare la nostra comprensione di molti fenomeni fondamentali di non equilibrio che coinvolgono gli idrati di clatrato di metano; per esempio, la cinetica di sostituzione durante lo scambio di gas in caso di conversione tra le strutture clatrate I e II. Questa conoscenza ci aiuterà anche ad affrontare importanti questioni energetiche e ambientali come il recupero di metano dai sedimenti di idrati marini e la cattura di anidride carbonica in futuro".

Oltre a questi progressi, anche le proprietà ad alta pressione degli idrati di clatrato di metano sono cruciali per la scienza planetaria. Si ritiene che gli idrati di clatrato di metano siano le principali fasi portatrici di metano all'interno di alcuni corpi ghiacciati dell'Universo. Perciò, i risultati di questo studio potrebbero essere utilizzati in futuri modelli di strati di idrati di metano clatrato incorporati nella criosfera di tali corpi, dove si sperimenta l'alta pressione.