近日，中科院广州分院系统研究所广州能源所与美国科罗拉多矿业大学等联合在国际顶级学术期刊《自然通讯》（Nat. Commun.）上发表题为 Topological dual and extended relations between networks of clathrate hydrates and Frank-Kasper phases的研究成果。
笼形水合物（简称水合物），通常是由非极性气体分子与水分子在高压、低温的条件下形成的类似冰的晶体物质。水合物根据客体分子尺寸的不同可以形成多种晶体结构，这些有序结构并非水合物所独有，水合物内的水分子通过氢键构成的空间网格结构与Frank-Kasper结构存在拓扑对偶的内在对应关系。这类四体密排结构在广泛的物理尺度内均有分布：小到纳米尺度的合金结构，大到介观尺度的自组装软物质。
该研究发现所有水合物晶体结构均存在一个共同基本结构块，为理解水合物空间网格结构提供了新思路。在此基础上，该研究结合空间群论，对水合物晶体结构进行了全新解读，揭示了水合物晶体结构的内在隐藏对称性，并推导了多种水合物晶体结构及Frank-Kasper结构间的平滑联通路径。该论文首次提出了准晶体水合物结构存在的可能性，并通过分子动力学模拟捕捉到了具有12倍准周期对称性水合物结构的成核过程。
该研究结果表明不同的水合物晶体结构可以共同构建一个连续的水合物相，通过不同结构的拼接有望提升水合物内客体分子填充效率，有望为水合物应用于能源储存、CO2封存开辟新路径。此外，根据拓扑对偶关系，该论文提出的基本构建块理论有助于更全面地理解其他有序材料的成核、相变及共存机制。
该研究由广州能源研究所完成主体理论推导，美国科罗拉多矿业大学完成分子模拟计算部分，日本国家计量研究院共同参与完成。论文第一作者为广州能源所天然气水合物应用基础研究室博士后陈勇。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36242-4
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