可燃冰是在海底由甲烷和水形成的冰状物质，溶解可释放大量甲烷气体，是能源时代的宠儿，但同时甲烷又是温室气体。如何开发和利用可燃冰？这对我们提出了挑战，于是科学家们对其的性质进行了研究。 

科学家一直致力于研究甲烷水合物的力学性能，即常说的“可燃冰”。可燃冰——在海底形成的冰包含甲烷气体，通常存在于在大陆架或埋于永冻层，在这些地方甚至会堵塞油气管道。对可燃冰理化性质的深层掌握有利于进一步的开发利用，这在气候科学和未来能源应用方面亦很重要。 

水合物中甲烷气体含量范围大约在3000-140000亿立方米以上，部分国家已经开始其探测和开发项目，促使天然气水合物沉积层的地质力学的研究越来越重要。

变形导致天然气水合物不稳定

甲烷水合物在熔化过程中释放出包裹在冰内部的甲烷。水合物形成过程中，甲烷在外加压力下被包裹在其内部，一立方米的固体甲烷水合物可以释放160立方米的甲烷气体，因此，可燃冰是一款潜力巨大的能源。然而从另一方面说，一旦熔化永冻层，将会释放的大量甲烷气体，而这种气体也是一种温室效应气体。 

因为获得样本较难，所以研究甲烷水合物的研究难度大。即使获得了样本，其稳定性也很差。来自挪威、中国和荷兰的学者们设法探索了单晶、多晶甲烷水合物中分子结构和机械稳定性之间的联系。 

这个团队模拟了作用于晶粒上的力所产生的效应，使用计算机对这两种类型进行模拟。论证了，组成甲烷水合物自然结构的分子尺寸大小，决定了它在力学载荷或者外在扰动下的表现。结果表明，分子尺寸如何组成甲烷水合物的自然结构，决定了他们在遇到力学载荷或被打乱时的宏观表现。模拟涉及两类应力：张力和压力，模拟结果表明：关于水合物结构这些因素决定了它在这些应力条件下的表现。并且给出了水合物结构中决定其如何对外界应力做出反馈的因素。研究员Fulong Ning 指出：“笼形结构的类型、比例和晶粒尺寸在天然气水合物的力学表现上发挥着很重要的作用。”

多晶可燃冰复杂、介稳态的晶界结构

当晶粒尺寸减小，水合物变得足够强大才可以承受这两种力。但是，这种情况只有当他们到达了一个确定的尺寸才可以实现——之后，水合物将变得很脆弱。当晶粒尺寸在15–20 nm时达到最佳的应力承受值。甲烷水合物的此类表现首次被当作一种新材料而发现，跟多晶金属的表现很相似。这种跟强度和最佳应力承受值相关的晶粒尺寸未来可以被应用于预测和防止水合物的失效损伤。 

单晶水合物和多晶水合物在力学方面的表现有很明显的差异。甲烷水合物的分解可以由地表形变所引发，比如，地震、风暴、海平面波动，甚至是像钻井这样的人为干扰。现在，这个团队将通过分子模拟和微观实验研究可燃冰和普通冰在单晶和多晶形成方面最关键的力学差异，然后还会研究天然气水合物晶体和沉积物颗粒在荷载条件下的相互作用。 

相关研究成果已经发表在 Nature Communications 上。