Una grande quantità del potente gas serra viene sequestrata come cristalli congelati negli oceani del mondo. Di grande preoccupazione tra gli esperti è il rischio crescente che, con il riscaldamento della Terra e l'aumento della temperatura degli oceani, questi potenti gas serra altamente distruttivi "fuggiranno" dal loro confinamento ghiacciato.

Per comprendere la stabilità di questi depositi di idrocarburi cristallini, Ryan Hartman, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare presso la NYU Tandon School of Engineering e Carolyn Koh della Colorado School of Mines, stanno avviando un'indagine su come si forma questo "ghiaccio di fuoco" all'interno di un mezzo di depositi minerali sedimentari e rimane in forma solida a pressioni e temperature specifiche.

Il lavoro, "Kinetics of Gas Hydrate Crystallization and Dissociation in Tailored Confined Media" si concentrerà sulla formazione strutturalmente idiosincratica di idrati di clatrato di gas, i reticoli cristallini di molecole d'acqua legate all'idrogeno che incapsulano piccole molecole di idrocarburi (gas) come il metano.

In particolare, il nuovo studio, che estende la ricerca condotta all'inizio di quest'anno sulla bio-simbiosi marina influenzata e influenzata dagli idrati congelati, esplora la cristallizzazione degli idrati di gas nei nanopori, pori o cavità in una sostanza le cui dimensioni possono essere misurate su scala nanometrica. Negli oceani di tutto il mondo, i cristalli di idrato si formano all'interno dei nanopori dei materiali sedimentari dal permafrost artico a una serie di ambienti marini profondi.

I materiali eterogenei hanno profonde implicazioni per l'energia e il cambiamento climatico, in particolare nelle acque più profonde, dove queste strutture dominano:mentre sono entità vitali e ricche di energia che si formano spontaneamente dall'acqua e da piccole molecole idrofobiche in specifiche condizioni di temperatura e pressione, mantengono gas serra altamente volatili sotto "lucchetto e chiave" congelati.

Ha aggiunto che per gli idrati di gas all'interno dei nanopori, questo sarà un problema minore. "Questo migliora la loro stabilità", ha detto. "Ad esempio, la cristallizzazione nei nanopori può modificare la temperatura del punto di fusione e la composizione degli idrati congelati, e anche la velocità con cui il gas viene rilasciato da essi, rispetto alle cristallizzazioni di massa, senza coinvolgere i nanopori."

La formazione di idrati è un fenomeno di nucleazione e crescita; esiste una dimensione critica del cristallo oltre la quale la termodinamica favorisce la crescita rispetto alla dissoluzione. Sebbene la nucleazione omogenea di queste dimensioni critiche sia possibile nell'acqua sfusa, è noto che la nucleazione eterogenea, la formazione di cristalli di idrato all'interno degli interstizi di altri costituenti minerali, è un processo dominante negli idrati naturali e sintetici.

Sebbene sia stato riscontrato che la maggior parte degli idrati cristallizza in mezzi confinati (la cristallizzazione in spazi ristretti è un'area di ricerca emergente), solo poche ricerche fino ad oggi hanno studiato l'influenza che i materiali porosi hanno sulla cristallizzazione degli idrati.

Il team mira a scoprire la comprensione fondamentale da molecola a poro dei meccanismi di cristallizzazione degli idrati in confinamento, definiti come cristallizzazione vincolata a:i) interfacce gas-liquido o gas-liquido su microscala e ii) nano e microscala geometriche altamente ordinate superfici strutturate.

"Riteniamo che la natura dei nanopori determini gli idrati di gas nucleati nel nanoconfinamento, nonché il tipo di struttura molecolare risultante e la loro cinetica di cristallizzazione e dissociazione", ha affermato Hartman.

Hartman e Koh utilizzeranno i sistemi microfluidici, un'area chiave di ricerca e competenza per Hartman, per progettare strutture nanoporose altamente ordinate per affinare il motivo per cui la geometria dei nanopori controlla le caratteristiche dell'idrato nucleato, nonché per capire perché queste caratteristiche influenzano la cinetica dell'idrato risultante . Il team mira anche a determinare il ruolo che il confinamento ha sulla crescita dei cristalli oltre le uscite dei nanopori. Utilizzeranno l'apprendimento automatico, incorporando i dati delle scoperte su scala pori dalla sperimentazione avanzata per costruire modelli di primo principio e generare regole di progettazione.

"Pensiamo che questo lavoro avrà un profondo impatto sulla più ampia comunità scientifica scoprendo i meccanismi delle cristallizzazioni gerarchiche in confinamento e, più in generale, dei materiali che possono intrappolare piccole molecole", ha aggiunto. "La ricerca potrebbe anche trasformare il modo in cui i calcoli di laboratorio funzionano insieme a metodi sperimentali avanzati per la sintesi e la produzione dei materiali."

Il lavoro abbinerà tecniche creative di elaborazione e sintesi fisica sperimentale, metodi di intelligenza artificiale e strumenti di monitoraggio in tempo reale in situ per la misurazione dell'alta fedeltà, delle informazioni transitorie sulla cristallizzazione e dissociazione confinate.