天然氣水合物在能源、環境、油氣運輸和地質災害預防等領域對人類生存和發展有重要影響。該研究領域內人們普遍關心的一個基本問題是「水合物怎樣形成」？這個問題吸引人的地方在於甲烷分子（天然氣的主要成分）在液體水中的溶解度很低，但形成水合物後甲烷溶解度增大了100多倍；而且甲烷與水分子之間並沒有形成化學鍵；同時這個化學反應存在「記憶效應」——經歷過水合物歷史的甲烷-水系統再次合成水合物的速率要比從未經歷過水合物歷史的甲烷-水系統要快。目前國際上對這個問題的探索研究仍在進行中，而回答這個問題顯然需要在分子水平上對水合物的成核和生長機制有深入的瞭解。
中科院地質與地球物理研究所地球深部結構與過程研究室「分子動力學學科組」郭光軍研究員等人在這個問題上最近又向前邁了一步。他們通過開展約束型分子動力學模擬計算，首次獲得了液體水環境中五角十二面體籠子和溶解甲烷之間的平均力勢能曲線（如圖），證明籠子和甲烷之間存在很強的吸附作用。這種吸附作用與籠子內的客體分子沒有關係，即使是空籠子也能夠吸附甲烷；吸附作用的強度與水分子之間的氫鍵強度相當；吸附作用最強的方向在籠子中心與五邊形面心的連線上。這種籠子-甲烷吸附作用可以解釋成溶解甲烷分子之間厭水相互作用的一種特例，很可能就是控制水合物形成的內在驅動力。根據這些研究結果，作者提出了一個新的水合物成核假說——籠子吸附假說，比國際上著名的團簇結合假說（Sloan等，1998）和局部結構假說（Trout等，2002）更趨合理，其成果最近發表在《物理化學化學物理學》（Physical Chemistry Chemical Physics）期刊上（Guo et al. Why can water cages adsorb aqueous methane? A potential of mean force calculation on the hydrate nucleation mechanisms. Physical Chemistry Chemical Physics, 2009, 11: 10427-10437）。 |
