Clatratos hidratados gasosos são sólidos semelhantes ao gelo, em que moléculas de gás ou átomos são aprisionados dentro de estruturas cristalinas formadas por moléculas de água. Eles têm atraído atenção considerável na última década por seu potencial como recurso de combustível geo-orgânico, visto que se formam naturalmente em grandes quantidades nos sedimentos marinhos e abaixo do permafrost continental. A troca de gases convidados em depósitos existentes de hidrato de metano com CO2 também foi recentemente indicada como uma abordagem dois-em-um promissora de recuperação de energia e mitigação de dióxido de carbono concomitante.

Na escala molecular, Os clatratos hidratados gasosos são caracterizados por gaiolas de água poliédricas de diferentes formas e tamanhos. Essas gaiolas podem ser combinadas de diferentes maneiras para formar uma estrutura cristalina. Quatro estruturas diferentes são conhecidas até agora e as duas mais comuns entre elas são geralmente chamadas de estruturas de clatrato I e II. As moléculas de gás ou átomos ocupam o centro das gaiolas; eles estão eficientemente presos e mal conseguem escapar.

As moléculas de gás ou átomos são capazes de se difundir durante processos de não equilíbrio. Tal como a formação ou decomposição de uma estrutura de clatrato, ou conversão entre estruturas diferentes. Sua difusão ainda desempenha um papel primordial durante tais processos e alguns estágios desses fenômenos chave são limitados à difusão de gás. Compreender o mecanismo de difusão de gás é, portanto, crucial para provar a viabilidade de todas as aplicações de energia envolvendo clatratos hidratados de gás.

Para clatratos hidratos de metano, a estrutura I é a estrutura termodinamicamente preferida, e a estrutura II é uma forma metaestável que é cineticamente favorecida e detectada transitoriamente nos estágios iniciais do processo de formação de hidrato. Notavelmente, a estrutura II pode coexistir persistentemente com a estrutura I em clatratos hidratados de metano sob alta pressão.

Um estudo recente conduzido por uma colaboração internacional de institutos de pesquisa (Institut Laue-Langevin (ILL), École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Universidade de Göttingen, e a Universidade Pierre e Marie Curie) explorou a persistência excepcional de clatrato hidratado de metano de estrutura II sob alta pressão, para medir a difusão translacional de moléculas de metano na interface das estruturas de clatrato I e II. Experimentos de espalhamento quase elástico de nêutrons sob alta pressão de 0,8 GPa foram conduzidos no ILL para fazer essas observações.

Isso foi conseguido usando um aparelho dedicado de alta pressão:uma impressora Paris-Edimburgo. O espectrômetro IN6 no ILL permitiu à equipe medir a difusão das moléculas de metano na interface das duas estruturas de clatrato nas escalas de tempo de picossegundo e comprimento de Å.

Essas descobertas revelam que a difusão translacional do metano é notavelmente rápida na interface das estruturas de clatrato I e II. Os coeficientes de difusão obtidos são uma ordem de magnitude maior do que o do metano dissolvido na água a baixa pressão, e um fator de dois a três mais alto do que o esperado para metano supercrítico a granel puro em pressão e temperatura comparáveis.

Umbertoluca Ranieri, Estudante de doutorado no ILL e EPFL, e o autor principal deste estudo diz:"Esses resultados são importantes para melhorar nossa compreensão de muitos fenômenos fundamentais de desequilíbrio envolvendo hidratos de clatrato de metano; por exemplo, a cinética de substituição durante a troca gasosa em caso de conversão entre as estruturas de clatrato I e II. Esse conhecimento também nos ajudará a lidar com questões ambientais e energéticas importantes, como a recuperação de metano de sedimentos de hidratos marinhos e a captura de dióxido de carbono no futuro. "

Além desses avanços, as propriedades de alta pressão dos clatratos hidratados de metano também são cruciais para a ciência planetária. Acredita-se que os clatratos hidratados de metano sejam as principais fases portadoras de metano no interior de alguns corpos gelados do Universo. Portanto, os resultados deste estudo podem ser usados ​​em futuros modelos de camadas de hidratos de clatrato de metano incorporadas na criosfera de tais corpos, onde ocorre alta pressão.