地質(zhì)地球所揭示系綜對甲烷水合物成核動力學(xué)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(jié)構(gòu)，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(xué)研究對水合物的儲存與開采、動力學(xué)抑制劑研發(fā)、油氣輸運(yùn)管道設(shè)計(jì)等方面有重要意義。分子動力學(xué)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(zhì)可由不同微觀狀態(tài)的物理性質(zhì)經(jīng)統(tǒng)計(jì)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(zhì)由粒子數(shù)N、體積V、能量E、壓力P和溫度T中的三個(gè)預(yù)設(shè)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(gè)問題一直沒有得到系統(tǒng)研究。

　　中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球深部結(jié)構(gòu)與過程研究室的博士后張正財(cái)與導(dǎo)師郭光軍等人合作，在NPT、NVT和NVE系綜中分別開展了20個(gè)分子動力學(xué)模擬，使用平均首次到達(dá)時(shí)間（MFPT）方法對甲烷水合物的成核動力學(xué)進(jìn)行了詳細(xì)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?yàn)镹PT > NVT > NVE，與系綜中使用溫浴和壓浴的個(gè)數(shù)呈正相關(guān)；而水合物產(chǎn)物結(jié)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(jié)構(gòu)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(xué)依據(jù)，并認(rèn)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(jié)構(gòu)。

　　以上研究成果近期發(fā)表于英國皇家化學(xué)學(xué)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）。