天然气水合物通常赋存于海洋沉积物的纳米至微米级孔隙中，其形成过程受到孔隙结构与界面性质的共同控制。近年来研究表明，在纳米尺度条件下，孔隙限域效应与矿物表面润湿性将显著改变水合物的热力学行为，但其具体作用机制仍缺乏系统认识。

揭示纳米孔隙中水合物成核的热力学控制机制，对于深化对天然气水合物成藏规律及调控其形成具有重要意义。针对这一问题，研究团队基于经典成核理论构建了改进的热力学模型，系统分析了矿物表面润湿性与孔壁曲率对水合物成核过程的影响。研究结果表明：矿物表面润湿性对成核过程的影响显著强于孔隙曲率，其中疏水性凹形表面最有利于水合物成核，其表现为更低的成核能垒和更小的等效临界晶体半径（图1）。此外，在相同润湿性条件下，凹形孔隙较凸形孔隙更有利于水合物形成。这表明，孔隙几何结构与界面润湿性的耦合作用是控制纳米尺度水合物成核的重要因素。

图1 不同润湿性与曲率条件下水合物成核能垒与等效临界半径变化规律

在进一步分析中，研究团队引入等效临界半径概念，实现了不同成核形态（均相、非均相）之间的统一比较。结果显示：随着接触角增大，成核能垒和等效临界半径均显著增加，当接触角接近180°时，非均相成核逐渐转化为均相成核，表面效应基本消失。这一结果揭示了润湿性对水合物成核“催化效应”的逐步衰减过程。

此外，研究从分子极性角度出发，建立了矿物表面润湿性与接触角之间的定性关系。结果表明：在亲水性矿物表面，水合物的接触角通常大于水，而在疏水性表面则相反。这一规律可通过介电常数所反映的分子极性差异进行解释。通过对典型矿物的系统分析发现，黏土矿物（如高岭石、蒙脱石）表现出强亲水性，而石墨烯、石墨等非极性材料则呈现显著疏水性（图2）。

图2 不同矿物表面润湿性及接触角分布特征

研究还指出，在实际储层中，疏水性凹形孔隙（如有机质丰富区域）更易成为水合物优先生长的位置，而亲水性矿物孔隙则可能抑制水合物成核。这一认识有助于解释天然气水合物在沉积物中的非均匀分布特征。

本研究从热力学角度系统阐明了纳米孔隙中水合物成核的关键控制因素，为理解水合物在复杂储层中的形成机制提供了新的理论框架。同时，该成果在工程上具有重要启示意义，例如可通过调控材料表面润湿性实现对水合物生成的促进或抑制，从而服务于天然气水合物开发与流动保障等应用。

需要指出的是，该研究基于经典成核理论，在纳米尺度下仍存在一定近似，其结论主要适用于定性或半定量分析。该研究成果发表于《Crystal Growth & Design》，中心徐超博士后为第一作者，中心卢海龙教授与福州大学李臻超副教授为共同通讯作者。

原文信息如下：

Xu, C., Li, Z., & Lu, H. (2026). Effect of Wettability on Nucleation Thermodynamics of Natural Gas Hydrate in Nanopores. Crystal Growth & Design.