Atomistic simulation of melting and superheatingof si methane hydrate


View article
PDF, 421.9 KB


Gas hydrates are crystalline water-based inclusion compounds physically resembling ice. Guest molecules such as CH4, Ar, CO2 are trapped inside cavities of the hydrogen-bonded water network. Melting and decay of the superheated sI methane structure are studied using molecular dynamics simulation. The melting curve is calculated by the direct coexistence simulations in a wide range of pressures up to 5000 bar for the SPC/E, TIP4P/2005 and TIP4P/Ice water models and the united-atom model for methane. We locate the kinetic stability boundary of the superheated metastable sI structure that is found to be surprisingly high comparing with the predictions based on the classical nucleation theory.

molecular modeling, material sciences, methane hydrates, melting, metastable states, nucleation, clusters


Volume 14, issue 2, 2013 year


Молекулярно-динамическое моделирование плавления и перегрева гидратов метана

Газовые гидраты – это кристаллические соединения, состоящие из молекул воды (образующих кристаллическую решётку) и газа, заключенных в полостях решётки без образования химической связи. Решётка стабилизируется за счёт взаимодействия Ван-дер-Ваальса между водой и молекулами газа. В работе исследованы плавление и перегрев КС-I структуры гидрата метана методом молекулярной динамики. Проведено сравнение различных потенциалов для описания воды. Исследованы метастабильные состояния перегретой КС-I структуры, рассчитана кинетическая граница устойчивости и кривая плавления.

молекулярное моделирование, материаловедение, гидраты метана, плавление, метастабильные состояния, нуклеация, кластеры


Volume 14, issue 2, 2013 year



1. Sloan E.D., Koh C.A. Clathrate Hydrates of Natural Gases,
Third Edition. CRC Press, 2008.
2. Дядин Ю.А., Гущин А.Л. Газовые гидраты // Соросов-
ский образовательный журнал. 1998. Т. 3. С. 55–64.
3. Кузнецов Ф.А., Истомин В.А., Родионова Т.В. Газовые
гидраты: исторический экскурс, современное состояние,
перспективы исследований // Российский Химический
Журнал. 2003. Т. XLVII, № 3. С. 5–18.
4. McMullan R.K., Jeffrey G.A. Polyhedral Clathrate Hydrates.
IX. Structure of Ethylene Oxide Hydrate // The Journal of
Chemical Physics. AIP, 1965. Vol. 42, № 8. P. 2725.
5. Mak T.C.W., McMullan R.K. Polyhedral Clathrate Hydrates.
X. Structure of the Double Hydrate of Tetrahydrofuran and
Hydrogen Sulfide // The Journal of Chemical Physics. AIP,
1965. Vol. 42, № 8. P. 2732.
6. Ripmeester J.A. et al. A new clathrate hydrate structure //
Nature. 1987. Vol. 325, № 6100. Pp. 135–136.
7. Инербаев Т.М. и др. Динамические, термодинамические
и механические свойства газовых гидратов структуры I и
II // Российский Химический Журнал. 2003. Т. XLVII, №
3. С. 19–27.
8. Conde M.M., Vega C. Determining the three-phase coexistence
line in methane hydrates using computer simulations. //
The Journal of chemical physics. 2010. Vol. 133, № 6.
P. 064507.
9. Abascal J.L.F. et al. A potential model for the study of ices
and amorphous water: TIP4P/Ice. // The Journal of chemical
physics. AIP, 2005. Vol. 122, № 23. P. 234511.
10. Jensen L. et al. Calculation of liquid water-hydrate-methane
vapor phase equilibria from molecular simulations. // The
journal of physical chemistry. B. 2010. Vol. 114, № 17.
Pp. 5775–5782.
11. Abascal J.L.F., Vega C. A general purpose model for the
condensed phases of water: TIP4P/2005. // The Journal of
chemical physics. AIP, 2005. Vol. 123, № 23. P. 234505.
12. Berendsen H.J.C., Grigera J.R., Straatsma T.P. The missing
term in effective pair potentials // The Journal of Physical
Chemistry. 1987. Vol. 91, № 24. Pp. 6269–6271.
13. Guillot B., Guissani Y. A computer simulation study of the
temperature dependence of the hydrophobic hydration // The
Journal of Chemical Physics. AIP, 1993. Vol. 99, № 10. P.
8075.
14. Paschek D. Temperature dependence of the hydrophobic
hydration and interaction of simple solutes: an examination of
five popular water models. // The Journal of chemical physics.
AIP, 2004. Vol. 120, № 14. Pp. 6674–6690.
15. Morris J. et al. Melting line of aluminum from simulations of
coexisting phases // Physical Review B. American Physical
Society, 1994. Vol. 49, № 5. Pp. 3109–3115.
16. Starikov S.V., Stegailov V.V. Atomistic simulation of the
premelting of iron and aluminum: Implications for highpressure
melting-curve measurements // Physical Review B.
American Physical Society, 2009. Vol. 80, № 22.
17. Docherty H. et al. A potential model for methane in water
describing correctly the solubility of the gas and the properties
of the methane hydrate. // The Journal of chemical physics.
2006. Vol. 125, № 7. Pp. 074510.
18. Istomin V.A. et al. Self-preservation phenomenon of gas
hydrates // Gas Industry of Russia. 2006. Vol. 4. P. 16–27.
19. Istomin V.A., Kvon V.G., Durov V.A. Metastable states of
gas hydrates // Gas Industry of Russia. 2006. Vol. 4. P. 13–16.
20. Norman G.E., Stegailov V.V. Simulation of Ideal Crystal
Superheating and Decay // Molecular Simulation. 2004. Vol.
30, № 6. Pp. 397–406.