Idrato di metano recuperato dal fondo dell'oceano al largo della costa dell'Oregon, STATI UNITI D'AMERICA. Credito:Wikimedia Commons
In un articolo pubblicato questa settimana in PNAS , i ricercatori del Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences dell'Università di Amsterdam e dell'Amsterdam Center for Multiscale Modeling forniscono informazioni atomistiche sulla formazione degli idrati di metano. Sulla base di simulazioni di dinamica molecolare spiegano come avviene la selezione tra polimorfi di idrato di metano in competizione, e come questo potrebbe essere generalizzato ad altri idrati e alla formazione di cristalli molecolari.
Gli idrati di metano sono sostanze solide simili al ghiaccio che sono abbondantemente presenti, tra gli altri ai fondali oceanici. Si stima che la quantità di energia immagazzinata negli idrati di metano sia il doppio dell'energia immagazzinata nelle risorse convenzionali di combustibili fossili. Allo stesso tempo, la formazione di idrati è fonte di preoccupazione per l'industria petrolifera in quanto possono intasare gli oleodotti, causando problemi di flusso. Gli idrati di metano sono presenti anche nel permafrost delle regioni artiche. Lo scongelamento del permafrost a causa dell'aumento delle temperature globali può portare al rilascio di grandi quantità di metano, che è un potente gas serra.
Molecole di metano ingabbiate
In un idrato di metano, a livello molecolare il metano è ingabbiato all'interno di una rete idrica legata all'idrogeno. Mentre il gas metano è idrofobo in condizioni ambientali, a basse temperature e alte pressioni una miscela di acqua e gas metano può nuclearsi spontaneamente in idrati.
Negli anni, l'interesse per la comprensione del meccanismo di formazione degli idrati è aumentato enormemente. In particolare la loro formazione in condizioni naturali è poco conosciuta. Comprendere il processo di nucleazione omogenea, e come questo porta a diversi polimorfi di idrato di metano, può portare a un migliore controllo della cristallizzazione, nonché informazioni sulla selezione dei polimorfi in generale.
I risultati possono essere riassunti in una superficie di energia libera CNT idealizzata in funzione delle dimensioni e del rapporto della gabbia per 275 K (blu), 280 K (rosso), e 285 K (verde). Le frecce indicano schematicamente i percorsi che passano dal liquido al solido (frecce tratteggiate:alla fase amorfa; frecce piene:alla fase cristallina). Mentre a basse temperature (es. 275K), la barriera di energia libera per nucleare il solido amorfo è più bassa, la tendenza si inverte a temperature più elevate (es. 285K), dove i percorsi campionati finiscono per lo più nella fase cristallina. A 280 K entrambi i meccanismi sono accessibili. Credito:HIMS/PNAS
Nuovo approccio alla simulazione
Poiché la ricerca sperimentale sulla formazione dei diversi polimorfi di idrato di metano soffre di una risoluzione limitata, i ricercatori di Amsterdam guidati dal professor Peter Bolhuis hanno utilizzato simulazioni di dinamica molecolare per fornire tali informazioni.
L'applicazione di una simulazione di dinamica molecolare diretta non è molto efficace, perché a moderato sottoraffreddamento la nucleazione è un evento molto raro, per la presenza di una barriera energetica molto alta. Una simile simulazione richiederebbe tempi di calcolo oltre l'età dell'Universo. Però, perché l'evento di nucleazione in sé, mentre raro, avviene molto velocemente (su una scala temporale di microsecondi), i ricercatori potrebbero creare una vasta collezione di traiettorie di dinamica molecolare che mostrano questi eventi veloci. La successiva analisi dettagliata di queste traiettorie ha mostrato come avviene la selezione tra meccanismi concorrenti di formazione di polimorfi amorfi e cristallini. La loro carta PNAS non solo fa luce sulla formazione di idrati di metano, ma anche su altri composti clatrati e sulla formazione di cristalli molecolari in genere.
