Probing the critical nucleus size in tetrahydrofuran clathrate hydrate formation using surface-anchored nanoparticles

笼状水合物 成核 过冷 四氢呋喃 水合物 纳米颗粒 化学物理 核心 材料科学 化学工程 化学 纳米技术 热力学 物理 有机化学 溶剂 生物 细胞生物学 工程类
作者
Han Xue,Linhai Li,Yiqun Wang,Youhua Lu,Kai Cui,Zhiyuan He,Guoying Bai,Jie Liu,Xin Zhou,Jianjun Wang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:1
标识
DOI:10.1038/s41467-023-44378-6
摘要

Abstract Controlling the formation of clathrate hydrates is crucial for advancing hydrate-based technologies. However, the microscopic mechanism underlying clathrate hydrate formation through nucleation remains poorly elucidated. Specifically, the critical nucleus, theorized as a pivotal step in nucleation, lacks empirical validation. Here, we report uniform nanoparticles, e.g ., graphene oxide (GO) nanosheets and gold or silver nanocubes with controlled sizes, as nanoprobes to experimentally measure the size of the critical nucleus of tetrahydrofuran (THF) clathrate hydrate formation. The capability of the nanoparticles in facilitating THF clathrate hydrate nucleation displays generally an abrupt change at a nanoparticle-size-determined specific supercooling. It is revealed that the free-energy barrier shows an abrupt change when the nanoparticles have an approximately the same size as that of the critical nucleus. Thus, it is inferred that THF clathrate hydrate nucleation involves the creation of a critical nucleus with its size being inversely proportional to the supercooling. By proving the existence and determining the supercooling-dependent size of the critical nucleus of the THF clathrate hydrates, this work brings insights in the microscopic pictures of the clathrate hydrate nucleation.
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