地質地球所揭示系綜對甲烷水合物成核動力學的影響

　　甲烷水合物，俗稱可燃冰，是水分子通過氫鍵相互作用連接成籠子結構，并充填甲烷分子所形成的晶體化合物，通常分布于海底沉積物和陸域的永久凍土中。甲烷水合物的成核動力學研究對水合物的儲存與開采、動力學抑制劑研發(fā)、油氣輸運管道設計等方面有重要意義。分子動力學模擬是研究水合物的重要方法之一。其中模擬體系宏觀狀態(tài)的物理性質可由不同微觀狀態(tài)的物理性質經(jīng)統(tǒng)計平均得到，而系綜即為該體系大量微觀狀態(tài)的集合，其性質由粒子數(shù)N、體積V、能量E、壓力P和溫度T中的三個預設參數(shù)決定。前人發(fā)現(xiàn)不同系綜對水合物成核過程有影響，但“系綜怎樣影響成核”這個問題一直沒有得到系統(tǒng)研究。

　　中國科學院地質與地球物理研究所地球深部結構與過程研究室的博士后張正財與導師郭光軍等人合作，在NPT、NVT和NVE系綜中分別開展了20個分子動力學模擬，使用平均首次到達時間（MFPT）方法對甲烷水合物的成核動力學進行了詳細的研究（圖1），發(fā)現(xiàn)：1. 三種系綜中甲烷水合物成核速率的順序為NPT > NVT > NVE，與系綜中使用溫浴和壓浴的個數(shù)呈正相關；而水合物產(chǎn)物結晶度的順序正好與成核速率相反。2. 最大臨界核出現(xiàn)在NVT系綜中，而不是NVE系綜中（圖2），這可能歸因于NVE系綜中水合物晶核的結構更有序，以至于不需要太大的尺寸就可以穩(wěn)定。他們的研究為在水合物成核模擬中如何選擇系綜參數(shù)提供了科學依據(jù)，并認為將來的成核研究不僅要考慮水合物臨界晶核的大小，而且要考慮臨界晶核的結構。

　　以上研究成果近期發(fā)表于英國皇家化學學會期刊Physical Chemistry Chemical Physics（Zhang et al. Effects of ensembles on methane hydrate nucleation kinetics. Physical Chemistry Chemical Physics, 2016, 18: 15602-15608）。