Hidrato de metano recuperado do fundo do oceano na costa de Oregon, EUA. Crédito:Wikimedia Commons
Em um artigo publicado esta semana em PNAS , pesquisadores do Instituto Van 't Hoff de Ciências Moleculares da Universidade de Amsterdã e do Centro de Modelagem Multiescala de Amsterdã fornecem uma visão atomística na formação de hidratos de metano. Com base em simulações de dinâmica molecular, eles explicam como ocorre a seleção entre polimorfos de hidrato de metano concorrentes, e como isso pode ser generalizado para outros hidratos e formação de cristais moleculares.
Hidrato de metano são substâncias sólidas semelhantes ao gelo que estão abundantemente presentes, entre outros, no fundo do oceano. Estima-se que a quantidade de energia armazenada em hidratos de metano seja o dobro da quantidade de energia armazenada em recursos convencionais de combustíveis fósseis. Ao mesmo tempo, a formação de hidratos é uma preocupação para a indústria do petróleo, pois podem entupir oleodutos, causando problemas de fluxo. Os hidratos de metano também estão presentes no permafrost nas regiões árticas. O degelo do permafrost como resultado do aumento das temperaturas globais pode levar à liberação de grandes quantidades de metano, que é um poderoso gás de efeito estufa.
Moléculas de metano encapsuladas
Em um hidrato de metano, no nível molecular, o metano é aprisionado dentro de uma rede de água ligada por hidrogênio. Embora o gás metano seja hidrofóbico em condições ambientais, em baixas temperaturas e altas pressões, uma mistura de água e gás metano pode se nuclear espontaneamente em hidratos.
Ao longo dos anos, o interesse em compreender o mecanismo de formação de hidratos aumentou tremendamente. Em particular, sua formação em condições naturais é mal compreendida. Compreendendo o processo de nucleação homogênea, e como isso leva a diferentes polimorfos de hidrato de metano, pode levar a um melhor controle da cristalização, bem como uma visão geral da seleção de polimorfos.
Os resultados podem ser resumidos em uma superfície de energia livre de CNT idealizada em função do tamanho e da proporção da gaiola para 275 K (azul), 280 K (vermelho), e 285 K (verde). As setas indicam esquematicamente as vias que passam do líquido ao sólido (setas tracejadas:para a fase amorfa; setas sólidas:para a fase cristalina). Enquanto em baixas temperaturas (por exemplo, 275 K), a barreira de energia livre para nuclear o sólido amorfo é mais baixa, a tendência é revertida em temperaturas mais altas (por exemplo, 285 K), onde as vias amostradas terminam principalmente na fase cristalina. Em 280 K, ambos os mecanismos são acessíveis. Crédito:HIMS / PNAS
Nova abordagem de simulação
Uma vez que a pesquisa experimental sobre a formação dos diferentes polimorfos de hidrato de metano sofre de resolução limitada, os pesquisadores de Amsterdã liderados pelo professor Peter Bolhuis usaram simulações de dinâmica molecular para fornecer tal insight.
Aplicar uma simulação de dinâmica molecular direta não é muito eficaz, porque na nucleação de sub-resfriamento moderado é um evento muito raro, devido à presença de uma barreira de energia muito alta. Tal simulação exigiria tempos de computação além da idade do Universo. Contudo, porque o evento de nucleação em si, embora raro, ocorre muito rápido (em uma escala de tempo de microssegundo), os pesquisadores podem criar uma grande coleção de trajetórias de dinâmica molecular que exibem esses eventos rápidos. A análise detalhada subsequente dessas trajetórias mostrou como ocorre a seleção entre os mecanismos de formação de polimorfos cristalinos e amorfos concorrentes. Seu artigo PNAS não apenas lança luz sobre a formação de hidratos de metano, mas também em outros compostos de clatrato e formação de cristais moleculares em geral.
