| 研究実績の概要 |
水素ハイドレートやfilled iceは、水素貯蔵手段の一つとして期待されている。我々は実験家、理論家の双方が利用する標準理論であるvan der Waals-Platteeuw (vdWP)理論を拡張、さらにGrand Canonical Monte Carlo法を活用することにより、籠構造内の水素の多重占有なども考慮された新しい理論手法を構築した。
これにより、実験測定が容易ではない、極めて高い圧力における水素ハイドレートの物性予測を、比較的簡易に行うことが可能となった。新たに発見された氷XVIはクラスレートハイドレート構造の一種(CS-II)から、ネオンを減圧除去した準安定氷であるが、クラスレートハイドレートはFrank-Kasper構造と双対であり、ほかに多数の結晶構造があり得る。
例えばCS-I（立方）,CS-II（立方）, HS-I（六方）, TS-I（正方）など多種の格子に対して、最安定構造を探索し、それらに期待される低温での負の熱膨張率をはじめ種々の物性を理論的に予測・計算した。また、これらにゲスト分子が導入されてクラスレートとなったときに起こる、ゲストによる収縮や負の膨張率の消失などの物性の大きな変化の機構を明らかにした。また、天然ガスの回収や、ハイドレートを利用したガスの保存・輸送過程を効率的に進めるためには、ハイドレート分解過程の理解が欠かせない大規模並列計算を行い、実験に近い穏やかな条件でのメタンハイドレートの分解のシミュレーションを行った。
この結果、ハイドレートから放出されたメタンの泡の生成により、分解速度が上昇するという機構を見い出した。また、海水中に存在するNaClや、メタンハイドレート生成抑制剤として石油産業で広く利用されているメタノールにより、分解機構がどのように変化するのかを、分解の中間状態の自由エネルギーの観点から明らかにした。
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