由横滨国立大学研究生院工学研究科副教授 Minoru Muromachi（米乐m6官方网站高级研究员）和米乐m6官方网站高级首席研究员 Satoshi Takeya 领导的研究小组发现了笼形水合物的最后一个基本结构，即甲烷水合物。
六方结构是水合物的三种基本结构之一，可以进行几何排列，但它在热力学上不稳定，直到现在还无法实际创建。这次，我们合成了一种适合该结构不稳定部分的物质，并成功使用该材料稳定了该结构。这种新结构比传统的六方衍生结构具有更高的甲烷和二氧化碳气体储存能力，有望带动利用水合物和二氧化碳分离回收技术的气体储运技术的实际应用。此外，预计新开发的方法将不仅应用于水合物，还应用于其他笼形化合物的新材料的制造。
此研究成果发表在国际科学期刊《科学进步” （日期为 2024 年 7 月 24 日）。
这项研究还得到了日本学术振兴会科学研究补助金的支持。
被称为甲烷水合物等笼形水合物的新结构(笼形水合物，以下简称水合物)。水合物的三种基本结构之一六方结构(HS-I)可以进行几何排列，但它在热力学上不稳定，直到现在还无法实际创建。通过新稳定HS-I结构，水合物的所有三种基本结构都已稳定。 HS-I结构比传统的HS-I派生结构具有更高的甲烷和二氧化碳气体储量，有望带动天然气和合成燃料的水合物储存和运输技术以及二氧化碳分离和捕获技术的实际应用。未来，预计将通过创建结合这三种结构的新水合物结构来开发功能材料。这是自1951年发现两种基本水合物结构（图中CS-I和CS-II）以来70年来的首次发现。
水合物结构的特点是水分子通过氢键形成多面体笼。在HS-I结构中，这个关键结构是两个15面体和两个14面体的簇结构。为了稳定它，季铵盐，Tri-n-丁基，n-合成己基氯化铵（图中的N4446）访客将客体的水溶液放入内容积约100ml的耐压容器中，在甲烷或二氧化碳的压力(1～10MPa)下生成水合物，通过X射线衍射测定揭示晶体结构。在获得的晶体结构中，与传统的衍生结构不同，客体有序地保持了HS-I结构的关键结构（见图）。这是通过客体的丁基链稳定 14 面体和客体的己基链稳定 15 面体来实现的。结果发现，周围的十二面体笼可以含有足够量的甲烷和二氧化碳气体。
图。已发现的 HS-I 结构的稳定性弗兰克-卡斯帕阶段的关系绿色多面体代表14面体，红色代表15面体。水合物的HS-I、CS-I和CS-II结构分别对应于Frank-Kasper Z、A15和C15相。随着HS-I的发现，三个顶点的基本结构全部完成。保持架的变形产生派生结构。灰色图是合金中发现的混合相。
水合物是一种广泛称为甲烷水合物的物质，存在于日本附近的海底。当水通过氢键形成笼子并包含甲烷和二氧化碳等气体时，就会产生它。水合物具有三种基本结构，其中一种是 HS-I 结构，可以进行几何排列，但热力学不稳定，无法实际创建。 HS-I结构的一部分发生变形的衍生结构（图中的HS-III，PMMA、我妈)，但天然气储量少且无法储存二氧化碳是应用技术开发的主要问题。
此外，水合物的结构被归类为称为弗兰克-卡斯珀相的多面体结构，其形状与合金、聚合物、笼形化合物以及更常见的泡沫（如肥皂）相同。 Frank-Kasper 相由三种基本结构组成，通过混合它们，可以创建多种结构。事实上，在合金中已经发现了许多结构（图中的灰点）。然而，在水（水合物）、碳、硅和锗等第14族元素的笼形化合物中，仅发现了两种基本结构和一种混合相。这是因为HS-I结构在热力学上不稳定并且无法生成，并且无法产生其混合相。如果HS-I结构能够以稳定的方式生产，那么这些物质组的材料开发有望取得新的进展。
本次获得的HS-I结构比常规派生结构具有更高的储气能力，有望应用于利用水合物的天然气和合成燃料的储存和运输技术以及二氧化碳分离和回收技术。此外，由于我们已经能够通过这一发现创建水合物的所有三种基本结构，因此我们将继续开发创建这些混合相的新材料。此外，这一发现不仅提供了解决水合物问题的方法，还提供了解决其他笼形化合物问题的方法，有望成为创造功率器件和高强度材料等新材料的基础技术。
Sanehiro Muromachi、Satoshi Takeya，“笼形水合物最终原始 Frank-Kasper 相的发现”，Science Advances，出版日期：2024 年 7 月 24 日。
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