La capa cuasi-líquida controla los mecanismos de crecimiento de los materiales similares al hielo
Los hidratos de clatrato son estructuras cristalinas que se forman en el fondo marino, creadas por moléculas de agua que atrapan metano, dióxido de carbono u otras moléculas.
Si bien estos materiales están poco utilizados en la tecnología, un investigador de la Universidad de Oklahoma está ayudando a los científicos a comprenderlos mejor mediante un estudio pionero.
Alberto Striolo, profesor de la Facultad de Ingeniería Gallogly de la Universidad de Oklahoma, es coautor de un artículo que aborda un desafío clave para la utilización de hidratos: su lenta tasa de crecimiento. Junto con sus colegas investigadores, ha descubierto una capa interfacial inusual en el hidrato que influye en su tasa de crecimiento.
Striolo es titular de la Cátedra Asahi Glass de Ingeniería Química y Profesor Presidencial Lloyd y Jane Austin de la facultad. También dirige la Maestría en Ciencias de la Sostenibilidad en línea y el programa de doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la facultad.
Los hidratos de clatrato poseen cualidades similares al hielo, pero pueden ser más estables, lo que los hace interesantes para su estudio en aplicaciones tecnológicas como el almacenamiento de energía y la desalinización. Sin embargo, su uso tecnológico aún no está muy extendido, en parte debido a su lento crecimiento.
Imagen derecha: Estructura de un bloque de hidrato de gas (clatrato de metano) incrustado en el sedimento de una cresta de hidratos, frente a las costas de Oregón, EE. UU. CC BY-SA 3.0
Según Striolo, se sabe poco sobre cómo acelerar el crecimiento de los materiales hidratados. Esto no solo ha dificultado el aprovechamiento de sus propiedades, sino que también ha frenado el progreso en el estudio de sus propiedades en la naturaleza. Estas estructuras pueden constituir tanto una importante fuente de energía como un inconveniente para la industria energética, en particular por sus efectos en los oleoductos y gasoductos.
"Cuando se forman, pueden bloquear la producción de los yacimientos petrolíferos", explicó Striolo. "Además, se trata de rocas que, en efecto, pueden acabar rompiendo el oleoducto. Y cuando eso ocurre, se producen fugas de hidrocarburos y problemas medioambientales".
Para estudiar los hidratos de clatrato, los investigadores utilizaron modelos informáticos para simular su comportamiento en presencia de aditivos químicos cerca de la superficie del hidrato. En dicha superficie se encuentra la capa cuasi-líquida, una estructura que existe entre el hielo y el agua y que no es ni completamente sólida ni completamente líquida.
Los investigadores descubrieron que, al adsorber aditivos, la capa cuasi-líquida aumentaba de grosor. Los resultados sugieren que esta capa favorece mayores tasas de crecimiento al adsorber moléculas de dióxido de carbono.
"Esto implica que las moléculas de CO2 se mueven más rápido en esta capa casi líquida que en el agua líquida", dijo Striolo. "Esa es precisamente la clave del descubrimiento".
Imagen: a) Una instantánea VMD del sistema ampliado ilustra la superficie del hidrato en el plano x-y, con TRP adsorbido sobre ella. La esfera cian representa la molécula de CO2 situada a la mayor distancia de separación para el análisis PMF. Para mayor claridad, no se muestran explícitamente los líquidos a granel. b) Análisis PMF de la adsorción de CO2 en las jaulas de hidrato a diferentes distancias del sitio de adsorción de TRP. Crédito: Proceedings of the National Academy of Sciences (2026). DOI: 10.1073/pnas.2521343123
Con este nuevo conocimiento, Striolo afirmó que él y sus colegas investigadores pretenden explorar estructuras de hidratos más grandes que posean "jaulas" lo suficientemente grandes como para atrapar más moléculas dentro de la estructura cristalina. Esas estructuras de mayor tamaño podrían utilizarse para desarrollar tecnología que almacene gases a presiones más bajas, lo que haría que el transporte de gas fuera más económico y menos perjudicial para el medio ambiente.
Según Striolo, con más investigación, los hidratos podrían ayudar a resolver problemas del mundo real. Por ejemplo, los hidratos expulsan la sal antes de formarse, por lo que podrían ser útiles para la desalinización del agua si se crean a partir de agua salada. También podrían ayudar a separar diferentes gases utilizando sus estructuras en forma de jaula y a desarrollar nuevos métodos para la contención del dióxido de carbono.
"Si lográramos aprender a atrapar el CO2 con estas estructuras, podríamos evitar que el CO2 llegara a la atmósfera sin necesidad de grandes plantas químicas para capturarlo", dijo Striolo. "Los hidratos de clatrato tienen aplicaciones específicas que pueden resultar muy atractivas".
Striolo también señaló que el creciente conocimiento sobre los hidratos proviene de todo el mundo. "Se trata de una colaboración internacional", afirmó. "Hemos colaborado con muchísimas personas, incluyendo expertos de la industria y la academia, y esperamos seguir por este camino".
La investigación ha sido publicada en Proceedings of the National Academy of Sciences: The quasi-liquid layer thickness controls clathrate hydrates’ growth rate
