ハイドレートの水分子カゴ状構造、カゴの分子が同じでも複数の形をとることを発見~環境にやさしいエネルギー・環境材料設計に向けた水分子の結晶構造制御に新しい視点~

2025-10-23 産業技術総合研究所

産業技術総合研究所と北見工業大学の共同研究チームは、炭素と硫黄を含む六員環化合物「チアン(C₅H₁₀S)」が、同一分子にもかかわらず2種類の異なるハイドレート結晶構造(構造II型とH型)を形成することを世界で初めて発見した。従来、ハイドレートの結晶構造は包接される分子の大きさや形状により一義的に決定されると考えられていたが、この成果により水分子のカゴ状構造がより自由度の高い組み上げを持つことが判明。発見は、CO₂など温室効果ガスの貯蔵・分離機能を持つ新たな環境材料設計に道を開くものとされる。研究成果は『Small Structures』誌に掲載された。

ハイドレートの水分子カゴ状構造、カゴの分子が同じでも複数の形をとることを発見~環境にやさしいエネルギー・環境材料設計に向けた水分子の結晶構造制御に新しい視点~
チアン分子が異なるハイドレート構造を誘起するイメージ図
結晶構造可視化ソフトVESTA(https://jp-minerals.org/vesta/en/)を使用して作成

<関連情報>

水骨格の構造的柔軟性:単一の大きなゲスト誘導構造Hおよび構造IIハイドレート構造 Structural Flexibility of Water Frameworks: A Single Large Guest-Inducing Structure-H and Structure-II Hydrate Structures

Yusuke Jin, Hiroshi Fujihisa, Masato Kida, Satoshi Takeya, Jiro Nagao
Small Structures  Published: 17 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/sstr.202500470

Abstract

A unique clathrate hydrate system in which a single guest molecule, thiane, induces the formation of both structure-II (sII) and structure-H (sH) hydrates under different thermodynamic conditions is reported. According to the experimental phase equilibrium data, the sII hydrate is thermodynamically more stable than the sH hydrate at lower temperatures. However, only the sH hydrate forms first from CH4–water–thiane mixtures, revealing a discrepancy between thermodynamic stability and actual crystallization behavior. Raman spectroscopy, supported by density functional theory and energy calculations using the COMPASS III force field, confirms that thiane adopts the chair conformation in both sII and sH hydrate structures. Among the CH4, CO2, and CH4/CO2 systems, only CH4 forms an sH hydrate with thiane, indicating that the crystallization pathway is likely small guest dominant and governed by the nucleation process. Collectively, these findings highlight the thiane hydrate system as a valuable model for investigating structural adaptability and host–guest interactions across different clathrate frameworks.

0501セラミックス及び無機化学製品
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