天然气水合物在能源、环境、油气运输和地质灾害预防等领域对人类生存和发展有重要影响。该研究领域内人们普遍关心的一个基本问题是“水合物怎样形成”？这个问题吸引人的地方在于甲烷分子（天然气的主要成分）在液体水中的溶解度很低，但形成水合物后甲烷溶解度增大了100多倍；而且甲烷与水分子之间并没有形成化学键；同时这个化学反应存在“记忆效应”——经历过水合物历史的甲烷-水系统再次合成水合物的速率要比从未经历过水合物历史的甲烷-水系统要快。目前国际上对这个问题的探索研究仍在进行中，而回答这个问题显然需要在分子水平上对水合物的成核和生长机制有深入的了解。

我所地球深部结构与过程研究室“分子动力学学科组”郭光军研究员等人在这个问题上最近又向前迈了一步。他们通过开展约束型分子动力学模拟计算，首次获得了液体水环境中五角十二面体笼子和溶解甲烷之间的平均力势能曲线（如图），证明笼子和甲烷之间存在很强的吸附作用。这种吸附作用与笼子内的客体分子没有关系，即使是空笼子也能够吸附甲烷；吸附作用的强度与水分子之间的氢键强度相当；吸附作用最强的方向在笼子中心与五边形面心的连线上。这种笼子-甲烷吸附作用可以解释成溶解甲烷分子之间厌水相互作用的一种特例，很可能就是控制水合物形成的内在驱动力。根据这些研究结果，作者提出了一个新的水合物成核假说——笼子吸附假说，比国际上著名的团簇结合假说（Sloan等，1998）和局部结构假说（Trout等，2002）更趋合理，其成果最近发表在Physical Chemistry Chemical Physics期刊上（Guo et al. Why can water cages adsorb aqueous methane? A potential of mean force calculation on the hydrate nucleation mechanisms. Physical Chemistry Chemical Physics, 2009, 11: 10427-10437，点击此处下载该文）。