Les hydrates de clathrate de gaz sont des solides semblables à de la glace, dans lequel des molécules de gaz ou des atomes sont piégés à l'intérieur de structures cristallines formées par des molécules d'eau. Ils ont attiré une attention considérable au cours de la dernière décennie pour leur potentiel en tant que ressource de carburant géo-organique, car ils se forment naturellement en grande quantité dans les sédiments marins et sous le pergélisol continental. L'échange des gaz invités dans les gisements d'hydrate de méthane existants avec du CO2 a également été récemment indiqué comme une approche deux-en-un prometteuse de récupération d'énergie et d'atténuation concomitante du dioxyde de carbone.

A l'échelle moléculaire, les hydrates de clathrate de gaz sont caractérisés par des cages à eau polyédriques de différentes formes et tailles. Ces cages peuvent être combinées de différentes manières pour former une structure cristalline. Quatre structures différentes sont connues à ce jour et les deux plus courantes d'entre elles sont généralement appelées structures clathrate I et II. Les molécules ou atomes de gaz occupent le centre des cages; ils sont efficacement piégés et peuvent à peine s'échapper.

Les molécules ou atomes de gaz sont cependant capables de diffuser pendant des processus de non-équilibre. Tels que la formation ou la décomposition d'une structure clathrate, ou la conversion entre différentes structures. Leur diffusion joue même un rôle primordial au cours de tels processus et certaines étapes de ces phénomènes clés sont limitées par la diffusion gazeuse. Comprendre le mécanisme de diffusion des gaz est donc crucial pour prouver la viabilité de toutes les applications énergétiques impliquant des hydrates de clathrate de gaz.

Pour les clathrates hydratés de méthane, la structure I est la structure thermodynamiquement préférée, et la structure II est une forme métastable qui est cinétiquement favorisée et détectée de manière transitoire dans les étapes initiales du processus de formation d'hydrate. Remarquablement, la structure II peut coexister de manière persistante avec la structure I dans les hydrates de clathrate de méthane sous haute pression.

Une étude récente menée par une collaboration internationale d'instituts de recherche (Institut Laue-Langevin (ILL), École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Université de Göttingen, et Université Pierre et Marie Curie) a exploité la persistance exceptionnelle des hydrates de clathrate de méthane de structure II sous haute pression, afin de mesurer la diffusion traductionnelle de molécules de méthane à l'interface des structures clathrate I et II. Des expériences de diffusion quasi-élastique de neutrons sous une pression élevée de 0,8 GPa ont été menées à l'ILL pour faire ces observations.

Ceci a été réalisé en utilisant un appareil dédié à haute pression :une presse Paris-Édimbourg. Le spectromètre IN6 de l'ILL a permis à l'équipe de mesurer la diffusion de molécules de méthane à l'interface des deux structures clathrates aux échelles de temps picoseconde et de longueur Å.

Ces résultats révèlent que la diffusion translationnelle du méthane est remarquablement rapide à l'interface des structures clathrate I et II. Les coefficients de diffusion obtenus sont supérieurs d'un ordre de grandeur à celui du méthane dissous dans l'eau à basse pression, et un facteur de deux à trois supérieur à celui attendu pour le méthane supercritique pur en vrac à pression et température comparables.

Umbertoluca Ranieri, Doctorant à l'ILL et à l'EPFL, et l'auteur principal de cette étude déclare :« Ces résultats sont importants pour améliorer notre compréhension de nombreux phénomènes fondamentaux de non-équilibre impliquant des hydrates de clathrate de méthane; par exemple, la cinétique de remplacement lors des échanges gazeux en cas de conversion entre les structures clathrate I et II. Ces connaissances nous aideront également à résoudre d'importants problèmes énergétiques et environnementaux tels que la récupération du méthane à partir des sédiments d'hydrates marins et la capture du dioxyde de carbone à l'avenir. »

En plus de ces avancées, les propriétés à haute pression des hydrates de clathrate de méthane sont également cruciales pour la science planétaire. On pense que les hydrates de clathrate de méthane sont les principales phases contenant du méthane à l'intérieur de certains corps glacés de l'Univers. Par conséquent, les résultats de cette étude pourraient être utilisés dans de futurs modèles de couches d'hydrates de clathrate de méthane noyées dans la cryosphère de tels corps, où une haute pression est ressentie.