비즈니스 기회
실험실에서 생성된 예측하기 어려운 물 구조
하이드레이트의 HS-I, CS-I 및 CS-II 구조는 각각 Frank-Kasper 상의 Z, A15 및 C15 단계에 해당합니다. HS-I의 발견으로 세 꼭짓점의 원시 구조가 모두 제자리에 있습니다. 파생 구조는 케이지 변형에서 발생합니다. 다면체 : 녹색, 14 면체; 빨간색, 15면체. 플롯: 합금에서 발견되는 회색, 혼합상. 출처: 요코하마 국립대학
Clathrate hydrates는 숙주 물 분자 껍질 내부에 외부 게스트 분자를 포함하는 복잡한 물 구조입니다. 예측된 clathrate hydrate phase structure는 실험실에서 안정적으로 합성되었으며 향후 재료 과학 연구에서 중요한 역할을 할 수 있습니다.
물 분자는 단 3개의 원자, 즉 하나의 산소 원자에 결합된 두 개의 수소 원자로 구성되어 있습니다. 개별 물 분자는 서로 그리고 다른 분자와 약하게 결합하여 집합적인 물리화학적 특성을 변화시킬 수 있습니다.
특히 Clathrate hydrates는 물 분자의 격자로, 게스트 물질 주위에서 자체 조립되어 수소 결합 프레임워크를 만듭니다. 이러한 프레임워크는 Frank-Kasper(FK) 단계에 속하는데, 이는 밀착된 사면체와 같은 기하학적 배열 때문입니다. 놀랍게도, 이 프레임워크는 완전히 물과 게스트 분자 사이의 약한 결합으로 이루어져 있어 일부 예측된 clathrate hydrate 구조를 합성하기가 매우 어렵습니다.
HS-I 구조는 육각형 결정을 생성하는 쇄골 수화물 상 중 하나입니다. 이전 연구에서는 HS-I 구조의 준안정 형태를 보고했지만 안정적인 형태는 연구자들을 피했습니다. 이 문제를 해결하기 위해 요코하마 국립대학과 일본 국립산업과학기술연구소(AIST)의 화학공학자 및 결정학자로 구성된 팀은 안정적인 형태의 HS-I 클라스레이트 수화물을 생성하고 HS-I 형태의 실제 구조를 분석했습니다.
연구팀은 이 연구를 '사이언스 어드밴스(Science Advances)' 7월 24일 자에 발표했습니다.
"쇄골 수화물의 세 가지 원시적 FK 구조 중 하나인 육각형 구조는 기하학적으로 배열될 수 있지만 열역학적으로 불안정하며 실제로 만들어지지 않았습니다. 이 구조의 핵심 부분에 맞는 물질을 만들어 이 재료를 사용하여 육각형 구조를 안정화하는 데 성공했습니다."라고 요코하마 국립 대학 대학원 공학연구과 준교수 무로마치 사네히로(村町海弘)는 말했습니다.
구체적으로, 연구팀은 게스트 분자인 tri-n-butyl, n-hexylammonium chloride(N4446Cl)를 미세 조정하여 안정적인 HS-I clathrate 수화물을 만들었습니다. 특히 n-헥실 사슬은 HS-I 구조에 필요한 오각형(12개의 오각형 + 3개의 육각형) 물 분자 케이지의 실제 형태를 안정화할 수 있는 유일한 게스트 분자였습니다.
안정적인 형태는 메탄과 이산화탄소의 가스 압력과 대기압 하에서 생성되었습니다. 육각형 결정 구조는 개별 십이면체(12개의 오각형), 사면체(12개의 오각형 + 2개의 육각형) 및 오각형 및/또는 육각형 면으로 구성된 오각면체로 구성되었습니다.
안정적인 HS-I 클라트라산염 수화물을 생성하기 위해 게스트 분자를 신중하게 조정하면 연구원은 다양한 응용 분야에 이상적인 특성을 가진 클라스레이트 수화물을 엔지니어링하기 위해 혼합 FK 상의 조합을 생성할 수 있습니다.
"쇄랍산염 수화물의 최종 원시 구조를 발견하는 것은 재료 과학의 탐구를 엽니다. 우리는 이러한 발견이 천연 가스 및 합성 연료의 저장 및 운송 기술, 이산화탄소 분리 및 회수 기술, 신소재 개발에 적용될 것으로 기대합니다."라고 Muromachi는 말했습니다.
연구팀의 연구에서 중요한 측면 중 하나는 주변 온도 및 압력과 유사한 조건에서 HS-I clathrate 수화물을 합성하는 능력이었습니다. 초고압, 진공 또는 초저온과 같은 극한 조건에 초점을 맞춘 새로운 물 구조를 만들기 위해 고안된 초기 연구의 추세입니다. 이 가장 최근의 발견은 다양한 물 격자의 물리화학적 특성을 생태 연구에 적용하고 재료 개발을 단순화할 수 있는 능력을 강조합니다.
안정적인 HS-I 클라스레이트 수화물의 합성은 다양한 분야에 광범위한 영향을 미칠 것이며, 게스트 분자 구조를 미세 조정함으로써 다른 화합물에 대한 추가적인 FK 상 구조의 합성에 박차를 가할 것입니다.
"HS-I 구조는 천연가스 및 합성 연료 및 CO2의 저장 및 운송 기술에 적용될 것으로 예상됩니다. Clathrate 수화물을 기반으로 한 캡처 기술. 우리는 또한 혼합 단계를 통합한 새로운 재료를 계속 개발할 것입니다."라고 Muromachi는 말했습니다.
이상의 기사는 2024년 7월 30일 Phys.org에 게재된 “Elusive predicted water structure created in the laboratory”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : Elusive predicted water structure created in the laboratory (phys.org)
* 추가정보 출처 : Discovery of the final primitive Frank-Kasper phase of clathrate hydrates | Science Advances