Une grande quantité du puissant gaz à effet de serre est séquestrée sous forme de cristaux gelés dans les océans du monde. Les experts s'inquiètent beaucoup du risque croissant que, à mesure que la Terre se réchauffe et que la température des océans augmente, ces puissants gaz à effet de serre hautement perturbateurs «fuient» leur confinement gelé.

Pour comprendre la stabilité de ces gisements d'hydrocarbures cristallins, Ryan Hartman, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire à la NYU Tandon School of Engineering et Carolyn Koh de la Colorado School of Mines lancent une enquête sur la façon dont cette "glace de feu" se forme dans un milieu de dépôts minéraux sédimentaires et reste sous forme solide sous des pressions et des températures spécifiques.

Le travail, "Kinetics of Gas Hydrate Crystallization and Dissociation in Tailored Confined Media" se concentrera sur la formation structurellement idiosyncrasique d'hydrates de clathrate de gaz, les réseaux cristallins de molécules d'eau à liaison hydrogène qui encapsulent de petites molécules d'hydrocarbures (gaz) telles que le méthane.

Plus précisément, la nouvelle étude, qui prolonge les recherches menées plus tôt cette année sur la biosymbiose marine influencée par et influençant les hydrates congelés, explore la cristallisation des hydrates de gaz dans les nanopores - pores ou cavités dans une substance dont les dimensions peuvent être mesurées à l'échelle nanométrique. Dans les océans du monde entier, des cristaux d'hydrates se forment dans les nanopores des matériaux sédimentaires du pergélisol arctique à une gamme d'environnements marins profonds.

Les matériaux hétérogènes ont de profondes implications pour l'énergie et le changement climatique, en particulier dans les eaux profondes, où ces structures dominent :bien qu'il s'agisse d'entités vitales et riches en énergie qui se forment spontanément à partir de l'eau et de petites molécules hydrophobes dans des conditions de température et de pression spécifiques, ils gardent également gaz à effet de serre hautement volatils sous « serrure et clé » gelées.

Il a ajouté que pour les hydrates de gaz dans les nanopores, ce sera moins un problème. "Cela améliore leur stabilité", a-t-il déclaré. "Par exemple, la cristallisation dans les nanopores peut modifier la température du point de fusion et la composition des hydrates congelés, ainsi que la vitesse à laquelle le gaz en est libéré, par rapport aux cristallisations en masse, n'impliquant pas de nanopores."

La formation d'hydrates est un phénomène de nucléation et de croissance; il existe une taille cristalline critique au-delà de laquelle la thermodynamique favorise la croissance plutôt que la dissolution. Bien qu'une nucléation homogène de cette taille critique soit possible dans l'eau en vrac, on sait que la nucléation hétérogène - la formation de cristaux d'hydrates dans les interstices d'autres constituants minéraux - est un processus dominant dans les hydrates naturels et synthétiques.

Alors que la majorité des hydrates se sont avérés cristalliser dans des milieux confinés (la cristallisation dans des espaces confinés est un domaine d'étude émergent), seule une poignée d'études à ce jour ont étudié l'influence des matériaux poreux sur la cristallisation des hydrates.

L'équipe vise à découvrir une compréhension fondamentale de la molécule au pore des mécanismes de cristallisation des hydrates dans le confinement, définie comme une cristallisation contrainte à :i) des interfaces gaz-liquide ou gaz-liquide à l'échelle microscopique et ii) des nano- et micro-échelles géométriques hautement ordonnées. surfaces structurées.

"Nous pensons que la nature des nanopores détermine les hydrates de gaz nucléés dans le nanoconfinement, ainsi que leur type de structure moléculaire résultant et leur cinétique de cristallisation et de dissociation", a déclaré Hartman.

Hartman et Koh utiliseront des systèmes microfluidiques, un domaine de recherche et d'expertise clé pour Hartman, pour concevoir des structures nanoporeuses hautement ordonnées afin de comprendre pourquoi la géométrie des nanopores contrôle les caractéristiques des hydrates nucléés, ainsi que pour comprendre pourquoi ces caractéristiques influencent la cinétique des hydrates résultants. . L'équipe vise également à déterminer le rôle du confinement sur la croissance des cristaux au-delà des sorties des nanopores. Ils utiliseront l'apprentissage automatique, en incorporant des données issues de découvertes à l'échelle des pores issues d'expérimentations avancées pour créer des modèles de premier principe et générer des règles de conception.

"Nous pensons que ces travaux auront un impact profond sur la communauté scientifique au sens large en découvrant les mécanismes des cristallisations hiérarchiques dans le confinement et, plus généralement, des matériaux capables de piéger de petites molécules", a-t-il ajouté. "La recherche pourrait également transformer la manière dont les calculs de laboratoire fonctionnent de concert avec des méthodes expérimentales avancées pour la synthèse et la fabrication de matériaux."

Les travaux coupleront des techniques de synthèse et de traitement expérimentales physiques créatives, des méthodes d'intelligence artificielle et des outils de surveillance en temps réel in situ pour la mesure d'informations transitoires haute fidélité sur la cristallisation confinée et la dissociation.