近日，中科院廣州分院系統研究所廣州能源所與美國科羅拉多礦業大學等聯合在國際頂級學術期刊《自然通訊》（Nat. Commun.）上發表題為 Topological dual and extended relations between networks of clathrate hydrates and Frank-Kasper phases的研究成果。
籠形水合物（簡稱水合物），通常是由非極性氣體分子與水分子在高壓、低溫的條件下形成的類似冰的晶體物質。水合物根據客體分子尺寸的不同可以形成多種晶體結構，這些有序結構并非水合物所獨有，水合物內的水分子通過氫鍵構成的空間網格結構與Frank-Kasper結構存在拓撲對偶的內在對應關系。這類四體密排結構在廣泛的物理尺度內均有分布：小到納米尺度的合金結構，大到介觀尺度的自組裝軟物質。
該研究發現所有水合物晶體結構均存在一個共同基本結構塊，為理解水合物空間網格結構提供了新思路。在此基礎上，該研究結合空間群論，對水合物晶體結構進行了全新解讀，揭示了水合物晶體結構的內在隱藏對稱性，并推導了多種水合物晶體結構及Frank-Kasper結構間的平滑聯通路徑。該論文首次提出了準晶體水合物結構存在的可能性，并通過分子動力學模擬捕捉到了具有12倍準周期對稱性水合物結構的成核過程。
該研究結果表明不同的水合物晶體結構可以共同構建一個連續的水合物相，通過不同結構的拼接有望提升水合物內客體分子填充效率，有望為水合物應用于能源儲存、CO2封存開辟新路徑。此外，根據拓撲對偶關系，該論文提出的基本構建塊理論有助于更全面地理解其他有序材料的成核、相變及共存機制。
該研究由廣州能源研究所完成主體理論推導，美國科羅拉多礦業大學完成分子模擬計算部分，日本國家計量研究院共同參與完成。論文第一作者為廣州能源所天然氣水合物應用基礎研究室博士后陳勇。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36242-4
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