En stor mängd av den kraftfulla växthusgasen finns kvar som frusna kristaller i världshaven. Av stor oro bland experter är den växande risken att, när jorden värms upp och havstemperaturerna stiger, kommer dessa mycket störande, potenta växthusgaser att "fly" sin frusna inneslutning.

För att förstå stabiliteten hos dessa kristallina kolväteavlagringar inleder Ryan Hartman, docent i kemi- och biomolekylär teknik vid NYU Tandon School of Engineering och Carolyn Koh från Colorado School of Mines en undersökning om hur denna "eldis" bildas inom en medium av sedimentära mineralavlagringar och förblir i fast form under specifika tryck och temperaturer.

Arbetet, "Kinetics of Gas Hydrate Crystallization and Dissociation in Tailored Confined Media" kommer att fokusera på den strukturellt idiosynkratiska bildningen av gasklatrathydrater, de kristallina gittren av vätebundna vattenmolekyler som kapslar in små kolväte(gas)molekyler som metan.

Specifikt utforskar den nya studien, som utökar forskning som utfördes tidigare i år om marin biosymbios påverkad av och påverkar frysta hydrater, gashydratkristallisering i nanoporer - porer eller håligheter i ett ämne vars dimensioner kan mätas på nanometerskala. I hav över hela världen bildas hydratkristaller i nanoporerna i sedimentära material från den arktiska permafrosten till en rad djupa marina miljöer.

De heterogena materialen har djupgående konsekvenser för energi och klimatförändringar, särskilt i djupare vatten, där dessa strukturer dominerar:samtidigt som de är vitala, energirika enheter som bildas spontant från vatten och små hydrofoba molekyler under specifika temperatur- och tryckförhållanden, behåller de också mycket flyktiga växthusgaser under frusna "lås och nyckel".

Han tillade att för gashydrater i nanoporer kommer detta att vara mindre problem. "Detta ökar deras stabilitet," sa han. "Till exempel kan kristallisering i nanoporerna ändra smältpunktstemperaturen och sammansättningen av frusna hydrater, och även hastigheten med vilken gasen frigörs från dem, jämfört med bulkkristallisationer, utan att involvera nanoporer."

Hydratbildning är ett kärnbildnings- och tillväxtfenomen; det finns en kritisk kristallstorlek bortom vilken termodynamik gynnar tillväxt framför upplösning. Även om homogen kärnbildning av denna kritiska storlek är möjlig i bulkvatten, är det känt att heterogen kärnbildning - bildandet av hydratkristaller i mellanrummen av andra mineralbeståndsdelar - är en dominerande process i naturliga och syntetiska hydrater.

Medan majoriteten av hydraterna har visat sig kristallisera i slutna medier (kristallisation i begränsade utrymmen är ett framväxande undersökningsområde), har endast en handfull undersökningar hittills studerat den påverkan som porösa material har på hydratkristallisation.

Teamet syftar till att upptäcka grundläggande molekylär-till-por-förståelse av hydratkristallisationsmekanismer i inneslutning, definierad som kristallisering begränsad till:i) mikroskala gas-vätska eller gas-vätska fast gränssnitt och ii) mycket ordnade, geometriska nano- och mikroskala strukturerade ytor.

"Vi tror att naturen hos nanoporerna bestämmer gashydraterna som kärnor i nanoinneslutning, såväl som deras resulterande molekylära strukturtyp och deras kristallisations- och dissociationskinetik," sade Hartman.

Hartman och Koh kommer att använda mikrofluidiska system, ett nyckelområde för undersökning och expertis för Hartman, för att designa högordnade nanoporösa strukturer för att finslipa varför nanoporegeometrin kontrollerar egenskaperna hos kärnhydraten, samt för att förstå varför dessa egenskaper påverkar den resulterande hydratkinetiken . Teamet syftar också till att fastställa vilken roll inneslutning har för kristalltillväxt bortom nanoporeutgångarna. De kommer att använda maskininlärning, inkludera data från upptäckter i porskala från avancerade experiment för att bygga modeller av första principen och generera designregler.

"Vi tror att detta arbete kommer att ha en djupgående inverkan på det bredare forskarsamhället genom att upptäcka mekanismerna för hierarkiska kristalliseringar i instängdhet och, mer generellt, av material som kan fånga små molekyler," tillade han. "Forskningen kan också förändra det sätt på vilket laboratorieberäkningar fungerar tillsammans med avancerade experimentella metoder för materialsyntes och tillverkning."

Arbetet kommer att koppla ihop kreativa fysiska experimentella syntes- och bearbetningstekniker, artificiell intelligensmetoder och in situ realtidsövervakningsverktyg för mätning av högtrohet, övergående information om begränsad kristallisation och dissociation.