近日，中科院廣州分院系統(tǒng)研究所廣州能源所與美國科羅拉多礦業(yè)大學等聯(lián)合在國際頂級學術(shù)期刊《自然通訊》（Nat. Commun.）上發(fā)表題為 Topological dual and extended relations between networks of clathrate hydrates and Frank-Kasper phases的研究成果。 

　　籠形水合物（簡稱水合物），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)并非水合物所獨有，水合物內(nèi)的水分子通過氫鍵構(gòu)成的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與Frank-Kasper結(jié)構(gòu)存在拓撲對偶的內(nèi)在對應關(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)。 

　　該研究發(fā)現(xiàn)所有水合物晶體結(jié)構(gòu)均存在一個共同基本結(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，該研究結(jié)合空間群論，對水合物晶體結(jié)構(gòu)進行了全新解讀，揭示了水合物晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)在隱藏對稱性，并推導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。該論文首次提出了準晶體水合物結(jié)構(gòu)存在的可能性，并通過分子動力學模擬捕捉到了具有12倍準周期對稱性水合物結(jié)構(gòu)的成核過程。 

　　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)建一個連續(xù)的水合物相，通過不同結(jié)構(gòu)的拼接有望提升水合物內(nèi)客體分子填充效率，有望為水合物應用于能源儲存、CO2封存開辟新路徑。此外，根據(jù)拓撲對偶關(guān)系，該論文提出的基本構(gòu)建塊理論有助于更全面地理解其他有序材料的成核、相變及共存機制。 

　　該研究由廣州能源研究所完成主體理論推導，美國科羅拉多礦業(yè)大學完成分子模擬計算部分，日本國家計量研究院共同參與完成。論文第一作者為廣州能源所天然氣水合物應用基礎(chǔ)研究室博士后陳勇。 

　　原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36242-4