可燃冰（天然气水合物）作为21 世纪一种潜力巨大的非常规能源, 具有重要的能源与环境效应, 日益受到各个国家和研究机构的关注。目前，据对我国天然气水合物资源取样的评估预测，仅我国南海天然气水合物的含量就可达6.5×1013 m3，可提供的能量相当于650亿吨石油，这就决定了天然气水合物在我国能源战略布局上的重大意义。
然而，在自然界中, 天然气水合物广泛分布于海底沉积环境与陆地永久冻土区域, 其失稳分解可以触发地质灾害、影响气候环境变化等，其热力学稳定性极大的依赖于其赋存环境、物质组成、沉积物的异质性及冰晶的分布。天然气水合物的大规模商业化开采要求我们对其结晶成核动力学及热力学稳定性都要有非常清晰的认识，这也是目前相关研究领域的关注热点之一。我们课题组从结晶成核原理出发，
来定量研究冰及可燃冰的成核动力学，揭示其微观机制与演化路径，同时对冰及可燃冰的力学性能及热力学稳定性进行调控。课题组近几年发表论文近百篇，包括其中包括 Nature, Nat. Comm., Chem. Soc. Rev., Nano Lett., JACS, Sci. Adv., PNAS, Adv. Funct. Mater, Small, Carbon, Nanoscale, Appl. Mater. Today 等国际著名期刊。
1 、分子动力学助力研究冰及可燃冰的力学性质
尽管目前天然气水合物已经成为地球科学、非常规能源和气候变化研究的热点之一，人们对气体水合物结构与化学性质的认识也得到了一定程度的提高，但是目前对其力学特性的了解还十分有限。这主要归结于气体水合物的形成及稳定的苛刻条件使得试验对其力学性质的测定很受限制或准确性不高。因而，充分系统地掌握冰及可燃冰的力学性质特征（包括其本构关系、机械强度、变形机制、机械失稳行为及粒晶尺寸效应等）
以及其与地层不同沉积物基质的黏合作用关系对气体水合物的勘探开发与商业化开采及生态环境与气候变化评价研究有着极其重要的意义。
图：多晶天然气水合物的微纳米力学研究。
2 、结合实验与分子动力学模拟，从经典成核理论出发，研究冰及可燃冰的成核机制
目前天然气水合物的开采仍未实现商业化，这主要归咎于人们对天然气水合物基础特性，包括结构特性、物化特性、热力与动力学、成核机理等认识不够，
尤其是目前天然气水合物最受期望的开采方法：二氧化碳置换法，涉及到二氧化碳水合物及甲烷水合物的成核动力学微观机制及演化路径，因此充分地、系统地研究二氧化碳水合物及甲烷水合物的成核动力学，对推进天然气水合物的规模化商业开采具有重要意义。
图：经典成核理论（左图），及水合物笼状结构识别算法示意图（右图）。
3 、机器学习方法在冰及可燃冰研究课题中的应用
由于体系的复杂性及水合物笼状结构的复杂性，天然气水合物体系的热力学失稳及成核过程是由多种影响因素同起作用的过程，
如气体及水分子的局部密度与有序度，各种完整的与非完整的笼状结构的形成及转化等等。机器学习方法在处理多影响因素的复杂体系中有着天然的优势与重要的应用，近些年来在预测晶体成核及生长过程的应用越来越受到学界的关注，
可以在冰及可燃冰体系的研究中发挥重要的作用。
图：机器学习方法研究气体水合物成核诱导时间，及多重因素对水合物成核过程的贡献排序。