实验室中创造出难以预测的水结构
笼状水合物是一种复杂的水结构，在宿主水分子壳内包含外来客体分子。预测的笼状水合物相结构已在实验室中稳定合成，可能在未来的材料科学研究中发挥重要作用。
水分子仅由三个原子组成：两个氢原子与一个氧原子结合。单个水分子可以彼此之间以及其他分子之间形成微弱的结合，从而改变其整体的物理化学性质。
具体来说，笼状水合物是水分子的晶格，它们在客体物质周围自组装，形成氢键框架。这些框架属于弗兰克-卡斯帕 (FK) 相，因为它们的几何排列为密堆积四面体。值得注意的是，该框架完全由水和客体分子之间的弱键组成，这使得一些预测的笼状水合物结构很难合成。
HS-I 结构就是这样一种产生六方晶体的笼状水合物相。先前的研究报告了 HS-I 结构的亚稳态形式，但研究人员一直未能找到稳定形式。为了解决这个问题，来自横滨国立大学和国家先进工业和科学技术研究所 (AIST) 的化学工程师和晶体学家团队生成了一种稳定形式的 HS-I 笼状水合物，并分析了 HS-I 形式的真实结构。
研究小组在7月24日的《科学进展》杂志上发表了这项研究成果。
横滨国立大学工程研究生院副教授室町真弘表示：“六边形结构是笼状水合物的三种基本 [FK] 结构之一，这种结构可以进行几何排列，但在热力学上不稳定，尚未在实践中创造出来。我们创造了一种适合这种结构关键部分的物质，并成功地利用这种材料稳定了六边形结构。”
具体来说，研究小组通过微调客体分子三正丁基正己基氯化铵 (N4446Cl)，创建了稳定的 HS-I 笼状水合物。特别是正己基链，它是唯一能够稳定 HS-I 结构所需的十五面体(12 个五边形 + 3 个六边形)水分子笼真实形状的客体分子。
在甲烷和二氧化碳的气压以及大气压力下，产生了稳定的形式。六方晶体结构由单个十二面体(12 个五边形)、十四面体(12 个五边形 + 2 个六边形)和由五边形和/或六边形面组成的十五面体组成。
通过仔细调整客体分子以生成稳定的 HS-I 笼状水合物，研究人员可以生成混合 FK 相的组合，从而设计出具有适合各种应用特性的笼状水合物。Muromachi 表示：“发现笼状水合物的最终原始结构开启了材料科学的探索。我们希望这些发现能够应用于天然气和合成燃料的储存和运输技术、二氧化碳分离和回收技术以及新材料的创造。”
该团队研究的一个重要方面是他们能够在类似于环境温度和压力的条件下合成 HS-I 笼状水合物。早期旨在创建新水结构的研究趋势集中在极端条件下，例如超高压、真空或超低温。这一最新发现凸显了将不同水晶格的物理化学特性应用于生态研究和简化材料开发的能力。
稳定的 HS-I 笼状水合物的合成将对许多不同领域产生广泛影响，并可能通过精细调整客体分子结构来促进其他化合物的额外 FK 相结构的合成。“HS-I 结构有望应用于天然气和合成燃料的储存和运输技术以及基于笼状水合物的二氧化碳捕获技术。我们还将继续开发包含混合相的新材料，”Muromachi 说道。
筑波产业技术综合研究所(AIST)能源过程研究所(EPRI)首席高级研究员Satoshi Takeya也参与了这项研究。
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