可燃冰：全球变暖释放出的“恶棍天使”？

“可燃冰”，一块看起来普通却可以燃烧的冰块，燃烧时温度不高，跟我们想象的燃烧物不同。究竟这玩意儿是什么神奇的东西？它们行为机制又是什么呢？

可燃冰其实是甲烷水合物(methane clathrate or methane hydrate)，由许多水分子包覆气态的甲烷分子，经过低温高压后凝固，形成一个外表像冰块，实际上里面装有可燃气体的物体。因为在特殊高压下形成，所以回到正常压力后释放甲烷的体积可高达水合物本身的160倍，若周围环境的温压剧烈改变更有可能引起爆炸，虽然具危险性却是未来能源的来源之一。

甲烷水合物通常存在于两处，一是大陆隆堆的海床下，二是极地沿岸的永冻土之下，这些地方大多低温且高压，能让它们能稳定存在。

为什么甲烷水合物会吸引科学家的注意呢？原因有三：

第一：甲烷就是天然气，是绝佳的能源，而甲烷水合物能释放的甲烷量又远大于本身体积，若能适当对其减压而不让它爆炸，所能生产的能源非常可观；

第二：它们是巨大的温室气体储藏室，甲烷造成温室效应的能力远比二氧化碳大的多，现因全球暖化导致海平面下降，同时北极冰帽也逐渐消失，就算不去开采，这些甲烷也会慢慢释放出来，对于人类已经很头大的气候变迁无疑是雪上加霜；

第三：人为制造，可别以为只有大自然能生成，人为开采石油或是深入海底的管线都有可能形成甲烷水合物造成管线的堵塞甚至有爆裂的危险。

既然甲烷水合物兼具经济价值及环境危害性，了解释放机制便相当重要，通常它们只稳定存在于低温高压的环境，一旦升温或减压便会破裂释放甲烷，但是科学界对于破裂释放甲烷的机制却不甚了解，最主要原因是因为样品取得困难，试想甲烷水合物只能稳定存在特殊环境，因此要针对减压破裂的机制进行研究就需要昂贵的设备严格控制温压。不过，无法进行实务研究，总还有其他方法，那就是计算机仿真。厦门大学、挪威科技大学(Norwegian University of Science andTechnology)、中国地质大学及荷兰台夫特科技大学(Delft University of Technology)便利用计算机仿真甲烷水合物的分子结构，及其在不同压力下的状态变化，并发表在《自然通讯》(Nature Communications)期刊。

仿真计算显示，甲烷水合物的强度，也就是它可以忍受多少压力变化而不破裂取决于其结晶的状态。一般来说材料的结晶性可分为单晶、非晶、多晶三种。单晶材料内的原子都根据同一种规则排列(例如面心立方、体心立方等等)；非晶材料则是相反，原子没有固定位置随意排列，例如玻璃；多晶则是材料内部有许多区块，每一个区块内的原子都有一定的排列方式，但不同区块间排列的方向或是角度不同，每一个区块称为晶粒(grain)，晶粒的大小便是决定甲烷水合物强度的关键。根据计算晶粒大小在20奈米左右时，强度最强，最不容易破裂，而大于或小于20奈米都会使强度减弱。这是人类首次具体解释甲烷水合物破裂时的压力与其结构的关系，虽然只是理论计算但仍极具价值。

材料强度因为晶粒大小的不同而有所改变并不只存在于这个神奇的可燃冰，金属材料可以透过改变晶粒大小增加强度，而晶粒大小同样也跟热处理的温度与压力有关，这个现象称为“细晶强化”。也因此科学家对于可燃冰的释放甲烷的机制与晶粒大小有关这个现象并不感到陌生。

也正因为晶粒的大小跟形成时的温度及压力有关，因此若能更深入了解形成时的环境与晶粒大小的关系，或许就可以预测何处的水合物比较稳定，因为无论是地震、暴风雨、海平面高度的上升或下降，甚至是人为的钻油行为都有可能让甲烷水合物破裂释放大量甲烷，甚至爆炸。执行这项研究计划的张志良教授表示：“如果我们具备甲烷氧化物机械性质的基本认识，我们就能有效管理它们”，“甲烷水合物的行为对于安全、环境与气候变迁有着重大影响。”