Gasklatrathydrat är isliknande fasta ämnen, i vilka gasmolekyler eller atomer är fångade inuti kristallina ramar bildade av vattenmolekyler. De har väckt stor uppmärksamhet under det senaste decenniet för sin potential som en geo-organisk bränsleresurs, eftersom de naturligt bildas i stora mängder inom marina sediment och under kontinental permafrost. Att byta gästgaser i befintliga metanhydratavlagringar med CO2 har också nyligen angetts som ett lovande två-i-ett-tillvägagångssätt för energiåtervinning och samtidig koldioxidreducering.

På molekylskala, gasklatrathydrat kännetecknas av polyhedrala vattenburar av olika former och storlekar. Dessa burar kan kombineras på olika sätt för att bilda en kristallin struktur. Fyra olika strukturer är kända hittills och de två vanligaste bland dem kallas i allmänhet som klathratstrukturer I och II. Gasmolekylerna eller atomerna upptar mitten av burarna; de är effektivt instängda och kan knappt fly.

Gasmolekylerna eller atomerna kan emellertid diffundera under icke-jämviktsprocesser. Såsom bildning eller sönderdelning av en klatratstruktur, eller omvandling mellan olika strukturer. Deras spridning spelar till och med en avgörande roll under sådana processer och vissa stadier av dessa nyckelfenomen är begränsade till gasdiffusion. Att förstå mekanismen för gasdiffusion är därför avgörande för att bevisa livskraften för alla energitillämpningar som inbegriper gasklatrathydrat.

För klatrathydrat av metan, struktur I är den termodynamiskt föredragna strukturen, och struktur II är en metastabil form som är kinetiskt gynnad och transient upptäckt i de inledande stadierna av hydratbildningsprocessen. Anmärkningsvärt, struktur II kan ihållande samexistera med struktur I i metanklatrathydrat under högt tryck.

En nyligen genomförd studie gjord av ett internationellt samarbete mellan forskningsinstitut (Institut Laue-Langevin (ILL), École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), University of Göttingen, och University Pierre och Marie Curie) har utnyttjat den exceptionella beständigheten av metanklatrathydrat i struktur II under högt tryck, för att mäta translationell diffusion av metanmolekyler vid gränssnittet mellan klatratstrukturerna I och II. Kvasielastiska neutronspridningsförsök under ett högt tryck på 0,8 GPa utfördes vid ILL för att göra dessa observationer.

Detta uppnåddes genom att använda en särskild högtrycksapparat:en Paris-Edinburgh-press. IN6 -spektrometern vid ILL gjorde det möjligt för laget att mäta diffusionen av metanmolekyler vid gränssnittet mellan de två klatratstrukturerna på picosekundtiden och Å -längdskalorna.

Dessa fynd avslöjar att metan -translationell diffusion är anmärkningsvärt snabb vid gränssnittet mellan klatratstrukturerna I och II. De erhållna diffusionskoefficienterna är en storleksordning högre än metan löst i vatten vid lågt tryck, och en faktor två till tre högre än vad som förväntas för ren bulk superkritisk metan vid jämförbart tryck och temperatur.

Umbertoluca Ranieri, Doktorand vid ILL och EPFL, och huvudförfattaren till denna studie säger:"Dessa resultat är viktiga för att förbättra vår förståelse av många grundläggande icke-jämviktsfenomen som involverar metanklatrathydrat; till exempel ersättningskinetiken under gasutbyte vid omvandling mellan klatratstrukturerna I och II. Denna kunskap kommer också att hjälpa oss att hantera viktiga energi- och miljöfrågor som metanåtervinning från marina hydratsediment och koldioxidavskiljning i framtiden. "

Förutom dessa framsteg, högtrycksegenskaperna hos metanklatrathydrater är också avgörande för planetvetenskap. Clathrate-hydrater av metan tros vara de viktigaste metanbärande faserna i interiören i några isiga kroppar i universum. Därför, resultaten av denna studie kan användas i framtida modeller av metanklatrathydratskikt inbäddade i sådana kroppars kryosfär, där högt tryck upplevs.