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　　近日，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所與美國(guó)科羅拉多礦業(yè)大學(xué)等聯(lián)合在水合物晶體結(jié)構(gòu)研究方面取得進(jìn)展，首次提出了準(zhǔn)晶體水合物結(jié)構(gòu)存在的可能性，并通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬捕捉到了具有12倍準(zhǔn)周期對(duì)稱性水合物結(jié)構(gòu)的成核過(guò)程。相關(guān)研究發(fā)表于《自然—通訊》。

　　籠形水合物（簡(jiǎn)稱水合物），通常是由非極性氣體分子與水分子在高壓、低溫的條件下形成的類似冰的晶體物質(zhì)。水合物根據(jù)客體分子尺寸的不同可以形成多種晶體結(jié)構(gòu)，這些有序結(jié)構(gòu)并非水合物所獨(dú)有，水合物內(nèi)的水分子通過(guò)氫鍵構(gòu)成的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與Frank-Kasper結(jié)構(gòu)存在拓?fù)鋵?duì)偶的內(nèi)在對(duì)應(yīng)關(guān)系。這類四體密排結(jié)構(gòu)在廣泛的物理尺度內(nèi)均有分布：小到納米尺度的合金結(jié)構(gòu)，大到介觀尺度的自組裝軟物質(zhì)。

　　該研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)所有水合物晶體結(jié)構(gòu)均存在一個(gè)共同基本結(jié)構(gòu)塊，為理解水合物空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)提供了新思路。在此基礎(chǔ)上，研究人員結(jié)合空間群論，對(duì)水合物晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全新解讀，揭示了水合物晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)在隱藏對(duì)稱性，并推導(dǎo)了多種水合物晶體結(jié)構(gòu)及Frank-Kasper結(jié)構(gòu)間的平滑聯(lián)通路徑。

　　該研究結(jié)果表明，不同的水合物晶體結(jié)構(gòu)可以共同構(gòu)建一個(gè)連續(xù)的水合物相，通過(guò)不同結(jié)構(gòu)的拼接有望提升水合物內(nèi)客體分子填充效率，有望為水合物應(yīng)用于能源儲(chǔ)存、CO₂封存開(kāi)辟新路徑。此外，根據(jù)拓?fù)鋵?duì)偶關(guān)系，該研究提出的基本構(gòu)建塊理論有助于更全面地理解其他有序材料的成核、相變及共存機(jī)制。

　　上述研究由中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所完成主體理論推導(dǎo)，美國(guó)科羅拉多礦業(yè)大學(xué)完成分子模擬計(jì)算部分，日本國(guó)家計(jì)量研究院共同參與完成。

　　相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36242-4