CO2 笼状水合物性质

笼状水合物（图 1）是笼状的水分子结构，用于容纳客体气体。它们是在高压和低温条件下气体与冰相互作用时形成的，被认为会影响太阳系中冰体的表面地质和成分。尽管笼状水合物的重要性早已得到认可，但之前对其形成和物理性质的研究大多涉及纯水溶液产生的结构的理论热力学计算。在发表于天文学与天体物理学然而，人们已经研究了由弱盐溶液产生的二氧化碳 (CO2) 笼状水合物。包括博士生艾玛尔·萨菲 (Emmal Safi) 在内的研究团队利用钻石光源的高分辨率粉末衍射光束线 (I11) 对与冰卫星咸水海洋中产生的笼状水合物更相关的笼状水合物进行了原位研究。结果表明，与纯水溶液中形成的笼状水合物相比，二氧化碳笼状水合物的形成特征和物理性质存在很大差异。新发现可用于帮助校准和指导地球和其他行星体上笼状水合物的形成模型。

太阳系外的水合物

对土星卫星土卫二的遥感显示，其表面既有水冰也有二氧化碳，是外星微生物生命的潜在栖息地。此外，这颗卫星——或其他冰卫星——的条件可能促进。事实上，从假定的包合物中释放出的气体（例如二氧化碳）被认为是土卫二表面发出的气体羽流的来源。

包合物的形成影响着它们所形成的海洋和它们所生成的冰壳的成分。因此，这些结构是冰冷月球地质学难题中的重要部分。然而，笼状水合物“在实验室中研究起来非常困难，因为它们通常很难按需制造”，I11 高级光束线科学家、本研究的联合研究员 Stephen Thompson 博士解释说。到目前为止，在物理相关的行星模拟条件下对此类笼状水合物进行实验测量仍然缺乏。此外，通常用于模拟结构物理性质的热力学计算可能会有问题，因为它们不一定能外推到相关的压力和温度条件。

长期合作

在这项新研究中，科学家们采用了一种专门开发的实验技术，在一系列与二氧化碳相关的条件下测量了二氧化碳笼状水合物的物理性质。这项研究是 Diamond 和基尔大学联合资助的一项博士项目的一部分。。他们在实验室中用三种冷冻的泻盐（一种硫酸镁矿物）溶液制造了二氧化碳包合物，目的是在这些卫星上复制海洋的盐度条件。然后在 I11 上对包合物进行原位同步加速器 X 射线粉末衍射测量，样品的温度在 5-20 巴压力范围内在 90 到 250 K 之间循环。之所以选择 I11 光束线，是因为它具有同时高分辨率、原位气体输送、可变温度和快速测量能力。因此，所得数据可用于探测包合物的晶体结构与温度、压力和盐度的关系。

汤普森博士表示，这些实验的成功“让团队特别兴奋”，因为“这是 Diamond 和基尔大学自 2010 年以来长期合作的最新进展”。例如，高压气室的应用和本项工作中使用的实验程序是 Sarah Day 博士在 Diamond 和基尔大学攻读博士学位期间进行的研究成果（Day 博士现在是 I11 高级支持科学家，也是本文的合著者）。

盐度的作用

实验结果表明，在泻盐溶液中，二氧化碳包合物的形成温度低于纯水冰。数据还意外地显示，在整个实验过程中，六边形冰晶占主导地位，尽管立方形在低温下更具有热力学稳定性。研究小组将此归因于溶液中存在泻盐。结果进一步表明，包合物的密度与压力和温度有关，并且它们的密度高于形成它们的溶液。因此，二氧化碳包合物将在咸水海洋中下沉而不是上升，因此可能不会直接促成土卫二气体羽流的形成。

启示和未来工作

这项研究强调了在物理相关条件下研究包合物时需要实验数据。除了理论模型之外，还需要进行此类观察，以充分了解这些结构并评估它们在地球上作为燃料来源（例如甲烷包合物）或碳封存的潜力。作为正在进行的工作的一部分，该团队将很快在 I11 上进行类似的实验，以检查在硫酸铵溶液中形成的甲烷包合物水合物的物理性质，这与研究土星最大的卫星土卫六有关。