米乐m6官方网站 发现水合物具有水分子的笼状结构，并且同一个笼状分子可以呈现多种形状

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）能源过程研究部，研究小组组长神佑介，高级首席研究员竹谷聪，副研究主任，材料测量标准研究部藤久裕二，北海道国立大学法人北见工业大学材料测量标准研究部副研究主任木田正人。我们与副教授一起开发了一种含有碳（C）和硫（S）的六元环化合物。₅H₁₀S)''是两种不同类型的水分子笼形水合物（以下简称“水合物”） 我们发现了晶体（结构II型和结构H型）聚集的现象。以前，人们认为水合物晶体的大小和形状是由所含分子的大小（它们相互作用的差异）决定的。这次，我们在世界上首次揭示了即使摄入同一分子也会诱导多个水合物晶体，并表明水合物结构具有比以前想象的更大的自由度。这一结果不仅加深了我们对水合物晶体结构的理解，而且利用了一种称为水分子的环保材料。₂的可能性到具有储存、分离等功能的能源和环境材料的设计。

此研究结果的详细信息将于 2025 年 10 月 17 日发布。小型结构

地球上的水是生命维持和工业活动的重要资源，具有独特的性质，例如高比热、大表面张力以及相对于其分子量的高熔点和沸点。这些特性是由水分子之间称为氢键的弱吸引力产生的。水分子因氢键形成笼状结构，甲烷和CO₂成结晶。以水分子为骨架形成的包合物称为水合物。天然气的主要成分是甲烷和CO₂，因此从能源和环境保护的角度来看，它作为气体储存和气体分离材料的候选材料而受到关注。

水合物形成的晶体结构类型取决于其所包含的分子（客体分子）的大小和形状，并且人们认为它所包含的每个分子都具有“确定的模式”（图1）。

如果我们能够控制水合物笼状结构的尺寸和形状，将带来诸如提高气体储存和分离效率以及将其用作储存和分离材料等应用。为此，了解笼状结构是如何形成的非常重要。水合物中的水分子通过氢键连接，当它们吸收客体分子时，它们会形成一种称为“水氢键网络”的网络状结构。由于与水分子的相互作用根据客体分子的大小和形状而不同，因此每个客体分子具有不同的笼状结构。因此，单一类型的客体分子是否可以创建多种不同的氢键网络结构的问题长期以来一直没有得到解答。这项研究旨在回答这个问题，加深我们对晶体如何生长的理解，并证明通过选择客体分子自由控制水晶体结构的可能性。这是一种基于环保水分子和CO的储能系统₂这是与新材料设计直接相关的基础知识，例如存储和分离。

到目前为止，在 AIST，甲烷水合物我一直致力于国内资源利用的研究。另一方面，我们关注水合物的高储气能力、气体分离功能、利用高潜热的低温储能能力等特性，并一直在研究以新的方式利用这些特性。

其中包括甲烷和二氧化碳₂时会形成什么样的晶体结构当考虑气体分离的应用时，结合是很重要的。水合物晶体的结构II和H的共同点是，它们在甲烷等相对较小的客体分子共存的环境中也可以结合较大的客体分子，但传统知识是结构II只能结合直径约08纳米的分子，而结构H具有最大的笼状结构，可以结合更大的分子。然而，最近使用计算科学的研究进展表明，即使采用相同的大分子，根据条件也可能形成不同的晶体结构，并且希望通过实验确认水合物晶体结构的形成。

此项研究和开发得到日本学术振兴会 (JSPS) 科学研究补助金（20K05594 和 25K01736）的支持。

这次，我们比较了生成结构II和H的客体分子团的大小和体积，并重点关注位于中间尺寸的“噻烷”。虽然硫烷本身不会形成水合物，但当我们通过实验证实硫烷是否与甲烷等较小分子共存形成水合物晶体时，我们在国际上首次发现不仅形成了预期的结构H型，而且还形成了结构II型晶体。此外，还表明当结构H分解时，会形成新的结构II晶体。这一结果直接表明一种客体分子可以诱发多个氢键网络结构，是一个颠覆“每种客体分子只能形成固定晶体结构”的传统观念的发现。

此外，粉末X射线衍射实验晶体结构分析，核磁共振波谱,拉曼光谱和DFT（密度泛函理论）计算11780_11795顺从者通过结合分析对分子排列进行详细研究，我们发现笼状结构内的噻烷分子在所有结构中都具有相同的椅状结构，并且在笼状结构中没有观察到过度的扭曲（图2）。换句话说，人们发现thian分子并不是被强行掺入的，而是自然地适应了这两种结构。

这些发现表明水分子的氢键网络结构比之前想象的具有更多的自由度，为理解氢键网络的多样性提供了重要线索。

未来，我们将从分子水平阐明这两种结构的起源，加深对水合物晶体形成机制和氢键网络多样性的新认识。基于这一新知识，CO₂

已出版的杂志：小型结构
论文标题：水框架的结构灵活性：单一大型客体诱导结构-H 和结构-II 水合物结构
作者：Y Jin、H Fujihisa、M Kida、S Takeya 和 J Nagao
DOI：101002/sstr202500470

笼形水合物

一种笼形水合物，在低温高压条件下通过形成水分子围绕客体分子的笼状结构而结晶。[返回来源]

甲烷水合物

一种白色冰状晶体，其中甲烷分子作为水合物中的客体分子。又称“烧冰”。已证实在日本周边海域大量存在，分解后可提取甲烷气体。[返回来源]

粉末 X 射线衍射

当粉末样品受到 X 射线照射时，衍射 X 射线会出现在各个方向。通过测量该衍射X射线的强度和衍射方向的角度，可以在不破坏样品的情况下确定样品内部结构的方法。[返回来源]

核磁共振波谱

强磁场中的原子核（主要¹海亚¹³C等)吸收特定频率的电磁波并产生共振的现象的方法。这样可以对分子内的原子环境和键合状态进行高精度分析。[返回来源]

拉曼光谱

用激光照射样品并测量散射光中能量发生轻微变化（拉曼散射）的成分的方法。由于可以获得来自分子振动和旋转的信息，因此可以非破坏性地分析水合物中包含的分子状态。[返回来源]

DFT（密度泛函理论）计算

研究多电子体系（原子、分子、晶体）的电子态、能量和各种物理量的计算方法，目前广泛应用于固态物理性质领域。密度泛函理论，DFT代表密度泛函理论。[返回来源]

顺从者

指分子的三维结构。由于分子内键角不同而具有不同三维结构的一类分子。称为椅式、半椅式、船式和扭船式构象的构象异构体以六元环化合物（例如噻安分子）而闻名。[返回来源]