Группа ученых из Норвегии, Китая и Нидерландов теперь показала, как размер зерен молекул, составляющих естественную структуру гидратов метана, определяет их поведение, если они загружены весом или нарушены.Это может иметь важные последствия для всего, от науки о климате до их использования в качестве источника энергии будущего, сказал Чжилян Чжан, профессор Норвежского университета науки и технологий и основатель лаборатории наномеханики при университете.
«Если у нас есть базовые знания о механических свойствах гидратов метана, мы можем использовать эту информацию, чтобы правильно ими управлять», — сказал Чжан. «Поведение гидратов метана может иметь большое влияние на безопасность, экологические проблемы и изменение климата».Плохо понимаемый и нестабильный
Гидраты метана известны с 1930-х годов, когда газовые компании обнаружили, что их трубопроводы иногда забиваются льдом, состоящим из воды и метана. Позже гидраты метана были обнаружены в вечной мерзлоте в 1960-х годах и в океанах, обычно на краях континентальных шельфов, но только при определенных давлениях и температурах океана. Считается, что их также можно найти на других планетах, включая Марс.
Когда гидраты метана «тают», они высвобождают метан, застрявший внутри льда, но поскольку метан впервые оказался в ловушке под давлением, когда гидрат образовался, из одного кубического метра твердого гидрата метана будет выделено 160 кубометров метанового газа. Это делает их либо мощным источником энергии, либо, если они тают по мере таяния вечной мерзлоты, мощным источником метана, который будет действовать как парниковый газ.Но добыча гидратов метана в качестве источника энергии — вариант, который, в частности, изучается Японией, — технически сложна.
Их расположение на мягких, нагруженных наносами краях континентальных шельфов затрудняет их добычу, и когда они нарушаются, их кристаллическая структура может внезапно диссоциировать и высвободить захваченный внутри метан.Этот механизм был предложен как одна из причин того, почему крупнейший оползень, известный человечеству, Сторегга, был настолько разрушительным.
Слайд Сторегга произошел около 8000 лет назад в подводном месте у западного побережья южной Норвегии.Горки — всего их было три — отправили стену воды с ревом над Северным и Норвежским морями. Свидетельство прохождения волны цунами в Шотландии, которое показывает, что волна достигла высоты 3-6 метров в этом регионе. Одна из гипотез для оползня заключалась в том, что землетрясение привело к тому, что гидраты метана в регионе стали нестабильными и со взрывом высвободили свой газ.
Компьютерное моделирование демонстрирует удивительное поведениеИсследователи из лаборатории наномеханики NTNU и химического факультета университета, а также их сотрудники из Китая и Нидерландов заинтересованы в понимании взаимосвязи между молекулярными структурами и механической стабильностью материалов.
Гидраты метана с их кристаллической структурой льда, содержащей захваченные молекулы метана, представляют собой интригующую трехмерную и практическую проблему с этой точки зрения.В статье, опубликованной в выпуске Nature Communications от 2 ноября, автор-корреспондент Чжан и его коллеги описывают, как они использовали компьютерное моделирование двух типов гидратов метана, монокристаллических гидратов и поликристаллических гидратов, чтобы увидеть, что произойдет, если они будут сжаты или если давление на гидраты внезапно исчезло.
Исследователи построили свои компьютерные модели, используя общие молекулярные модели льда / воды и метана, организованные в виде монокристаллических или поликристаллических зерен, и смоделировали эффект приложения сил к сбору зерен.Найдена максимальная вместимостьМоделируемые гидратные структуры подвергались двум различным видам напряжения: растягивающему напряжению или силам, которые они будут испытывать при разрыве, и сжимающему напряжению, или силам, которые они испытали бы, если бы были сжаты под действием веса.Моделирование показало, что размер кристаллов — то, что исследователи называют размером зерна — из которых состоит гидратная структура, может многое сказать с точки зрения того, как структура реагирует на оба вида напряжений.
При моделировании как растягивающего, так и сжимающего напряжения неожиданно было обнаружено, что по мере уменьшения размера зерна гидраты сначала становились прочнее, способными выдерживать как сжатие, так и растягивающие напряжения, но только до тех пор, пока они не достигли определенного размера зерна. Если исследователи проводили моделирование с размерами зерен меньшими, чем те, которые были определены как поворотный момент, гидрат фактически становился слабее.Максимальная емкость гидратов проявляется при размере зерен от 15 до 20 нм. Это похоже на поведение поликристаллических металлов, таких как медь.
Однако это первый раз, когда исследователи наблюдают такое поведение в гидратах метана как материала. Зависимая от размера зерна прочность и максимальная емкость, которые обнаружили исследователи, могут быть использованы для прогнозирования и предотвращения разрушения гидратов в будущем.Нестабильность может быть спровоцированаЭто неожиданное быстрое ослабление кристаллической структуры по мере уменьшения размера зерен имеет важные последствия для любой работы в областях, где обнаружены гидраты.
Исследователи сообщили, что диссоциация гидратов метана может быть вызвана деформацией грунта, вызванной «землетрясениями, штормами, колебаниями уровня моря или антропогенными нарушениями (включая бурение скважин и добычу газа из резервуаров гидратов)».«Это влияет на эти большие проблемы», — сказал Чжан. «Здесь мы сделали один шаг вперед, но, конечно, предстоит еще много работы».