Ученые из Гёттингенского университета имени Георга-Августа (Германия) и Института Лауэ-Ланжевена (Франция), сумели создать искусственным путем пустой клатрат с решеткой из молекул воды. Клатрат представляет собой кристаллическую решетку из вещества – «хозяина», в которой заключены молекулы вещества «гостя». До сих пор получить этот материал в лабораторных условиях не удавалось. Его изучение может открыть доступ к неразработанным еще залежам природного газа на океанском дне и решил ряд проблем с доставкой природного газа и нефти по трубам при низкотемпературных условиях. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Впервые полученный экспериментальным путем пустой клатрат состоит из твердой кристаллической решетки из молекул воды. Он представляет собой новый — 17 по счету — вид льда, который его создатели назвали льдом XVI. Это наименее компактная кристаллическая форма воды, которая, предположительно, будет оставаться стабильной при низких температурах и отрицательном давлении.
Ученые создали клатрат, наполненный молекулами газа неона, который потом удалили, откачав при низкой температуре — неон выбрали потому, что его молекулы очень невелики по размеру, что и позволило опустошить клатрат, не повредив его хрупкую структуру.
Процесс откачки производился в вакууме при температуре около 140° K. Нейтронография производилась с помощью ультрасовременного дифрактометра D20, принадлежащего Институту Лауэ-Ланжевена. Полученные изображения позволили определить, когда клатрат опустел, и составить полное представление о структуре образования.
Пустая кристаллическая решетка позволит ученым провести точные измерения их структуры и термодинамических свойств и продвинуться в понимании свойств подобных образований, наполненных газом.
Потенциально разложение таких клатратов, встречающихся в вечной мерзлоте или в осадочных породах на дне океанов, может иметь большое значение для нашей планеты. Понимание их физико-химической природы может стать самым важным вопросом: согласно данным международного агентства World Energy Outlook от 2007 года, общее количество метана, находящееся внутри клатратов в океане, намного превышает пригодные для коммерческой эксплуатации запасы угля, нефти и природного газа, оставшиеся на Земле. Эти залежи на данный момент не доступны для полномасштабных разработок, но исследования ведутся в этом направлении.
«Важно, что клатраты могут содержать и углекислый газ, и будут представлять собой стабильные образования на океанском дне. Это означает, что мы можем извлечь метан и превратить его в полезную энергию, а на его место поместить СО2. Другими словами, мы можем закачать СО2 на глубину океана в качестве замены метана в газовых гидратах. Сложности такого процесса, естественно, велики, да и возможность реализации его под вопросом, но это заманчивая возможность, стоящая исследований», — сказал Томас Хэнсен (Thomas Hansen) один из авторов работы и оператор D20.
Еще один плюс исследований клатратов, это защита трубопроводов, по которым транспортируется газ при высоком давлении и низких температурах. Такие условия ведут к образованию газовых гидратов внутри труб, что в свою очередь приводит к их закупорке. Газовые гидраты имеют кристаллическую решетку из молекул воды, в которой заключен метан или какой-либо другой газ. Профилактические меры в связи с этим стоят приблизительно 500 миллионов долларов ежегодно по всему миру, так что успешные разработки в этом направлении имеют все шансы окупиться, и с большой лихвой.
На фото: Атомы неона (обозначены голубым), могут свободно передвигаться между большими «клетками» (обозначены серым), проходя через кольца, состоящие из шести молекул воды каждое (обозначены красным пунктиром). Удаление атомов Ne из маленьких «клеток» (обозначены зеленым), требует свободного места в одном из колец.
Иллюстрация: Falenty et al. Nature
