Uma grande quantidade do poderoso gás de efeito estufa é sequestrada como cristais congelados nos oceanos do mundo. De grande preocupação entre os especialistas é o risco crescente de que, à medida que a Terra se aquece e a temperatura do oceano aumenta, esses gases de efeito estufa altamente perturbadores e potentes "fujam" de seu confinamento congelado.
Para entender a estabilidade desses depósitos de hidrocarbonetos cristalinos, Ryan Hartman, professor associado de Engenharia Química e Biomolecular da Escola de Engenharia Tandon da NYU e Carolyn Koh da Escola de Minas do Colorado, estão lançando uma investigação sobre como esse "gelo de fogo" se forma dentro de um meio de depósitos minerais sedimentares e permanece na forma sólida sob pressões e temperaturas específicas.

O trabalho, "Kinetics of Gas Hydrate Crystallization and Dissociation in Tailored Confined Media" se concentrará na formação estruturalmente idiossincrática de hidratos de clatrato de gás, as redes cristalinas de moléculas de água com ligações de hidrogênio que encapsulam pequenas moléculas de hidrocarbonetos (gás), como o metano.

Especificamente, o novo estudo, que amplia a pesquisa realizada no início deste ano sobre biossimbiose marinha influenciada e influenciando hidratos congelados, explora a cristalização de hidratos de gás em nanoporos – poros ou cavidades em uma substância cujas dimensões podem ser medidas em escala nanométrica. Nos oceanos de todo o mundo, cristais de hidrato se formam dentro dos nanoporos de materiais sedimentares, desde o permafrost ártico até uma variedade de ambientes marinhos profundos.

Os materiais heterogêneos têm profundas implicações para a energia e as mudanças climáticas, particularmente em águas mais profundas, onde essas estruturas dominam:embora sejam entidades vitais e ricas em energia que se formam espontaneamente a partir de água e pequenas moléculas hidrofóbicas sob condições específicas de temperatura e pressão, também mantêm gases de efeito estufa altamente voláteis sob "fechadura e chave" congeladas.

Ele acrescentou que para hidratos de gás dentro de nanoporos, isso será um problema menor. "Isso aumenta a estabilidade deles", disse ele. “Por exemplo, a cristalização nos nanoporos pode alterar a temperatura do ponto de fusão e a composição dos hidratos congelados, e também a velocidade com que o gás é liberado deles, em comparação com as cristalizações em massa, que não envolvem nanoporos”.

A formação de hidratos é um fenômeno de nucleação e crescimento; há um tamanho crítico de cristal além do qual a termodinâmica favorece o crescimento sobre a dissolução. Embora a nucleação homogênea desse tamanho crítico seja possível em água a granel, sabe-se que a nucleação heterogênea - a formação de cristais de hidrato dentro de interstícios de outros constituintes minerais - é um processo dominante em hidratos naturais e sintéticos.

Embora a maioria dos hidratos cristalize em meios confinados (a cristalização em espaços confinados é uma área emergente de investigação), apenas um punhado de investigações até o momento estudaram a influência que materiais porosos têm na cristalização de hidratos.

A equipe tem como objetivo descobrir a compreensão molecular fundamental dos poros dos mecanismos de cristalização de hidratos em confinamento, definidos como cristalização restrita a:i) interfaces gás-líquido ou sólido gás-líquido em microescala e ii) nano e microescala geométrica altamente ordenada superfícies estruturadas.

"Acreditamos que a natureza dos nanoporos determina os hidratos de gás nucleados em nanoconfinamento, bem como o tipo de estrutura molecular resultante e sua cinética de cristalização e dissociação", disse Hartman.

Hartman e Koh usarão sistemas microfluídicos, uma área-chave de pesquisa e especialização para Hartman, para projetar estruturas nanoporosas altamente ordenadas para aprimorar o motivo pelo qual a geometria dos nanoporos controla as características do hidrato nucleado, bem como para entender por que essas características influenciam a cinética do hidrato resultante . A equipe também pretende determinar o papel do confinamento no crescimento de cristais além das saídas de nanoporos. Eles usarão aprendizado de máquina, incorporando dados de descobertas em escala de poros de experimentação avançada para construir modelos de primeiro princípio e gerar regras de design.

"Acreditamos que este trabalho terá um impacto profundo na comunidade científica mais ampla, descobrindo os mecanismos de cristalizações hierárquicas em confinamento e, mais geralmente, de materiais que podem prender pequenas moléculas", acrescentou. "A pesquisa também pode transformar a maneira como os cálculos de laboratório funcionam em conjunto com métodos experimentais avançados para síntese e fabricação de materiais".

O trabalho combinará técnicas criativas de síntese e processamento físico experimental, métodos de inteligência artificial e ferramentas de monitoramento em tempo real in situ para a medição de alta fidelidade, informações transitórias sobre cristalização e dissociação confinadas.