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水合物|氙气和疝气到底有什么区别？作为神秘元素的它在疫情中大显身手

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文章来自“科学大院”公众号
作者：寇璇
在元素周期表的一隅 ， 有一个我们熟悉又陌生的元素 ， 这个隐藏在元素周期表中的神秘气体 ， 常常被强行碰瓷 。 不信？大家打开百度搜索“氙（xian）气” ， 一定会看的晕头转向
水合物|氙气和疝气到底有什么区别？作为神秘元素的它在疫情中大显身手
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(图片来源：网络)
氙(xian)气和疝(shan)气有什么区别？其实 ， 氙气和疝气只是看起来相似 。 天生带着病字头的疝气是一种疾病 ， 而且它并不是我们要关注的对象 。 这次的主角是氙气 ， 作为稀有气体大家族的一员 ， 似乎 ， 它距离我们很远 ， 就像它的名字一样：“Xenon” （希腊语中的陌生人） 。
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（图片来源：元素周期表）
01氙气：“CT届的画骨神器”
在此次疫情中 ， X射线CT检测大显身手 。 CT(Computed Tomography) ， 即电子计算机断层扫描 ， 是利用X射线、γ射线、超声波等 ， 与灵敏度极高的探测器一同围绕某一部位作断面扫描 ， 可用于多种疾病的检查 ， 可分为：X射线CT（X-CT）以及γ射线CT（γ-CT)等 。 CT检测只需要几分钟 ， 就可以判断病人肺部是否产生了病变 ， 给予医生极大的帮助 。
CT图像是利用不同灰度来反映器官和组织对射线的吸收程度 。 因此 ， CT呈现出的黑白影像 ， 黑影表示低吸收区 ， 即低密度区；白影表示高吸收区 ， 即高密度区 。 在CT检查中 ， 可以轻易地看见骨骼等细密的物质 ， 但是软组织却显示不清 ， 让照片“变糊” 。 在X射线的照射下 ， 氙气的显影效果惊人 ， 因此科学家们利用氙气强吸收性的特点将其用作显影剂 。
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CT影像结果被纳入新冠临床诊断标准（图片来源：澎湃新闻/经济日报）
CT扫描就像是医生手中的笔 ， 可以将病人肺部的图像画出 。 而氙气更像是医生手中的水彩笔 。 因为氙气有极强的射线吸收能力 ， 人吸入体内再去做CT扫描时 ， 就相当于点亮了我们的各个器官 ， 帮助医生更好的判断器官的病变情况 。 而且 ， 氙气无毒无害 ， 人体吸入后不会被人体的血液所吸收 ， 因此可为老人 ， 孩童 ， 孕妇使用 。
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氙气——医学影像中的水彩笔
既然氙气作显影剂效果甚好 ， 那为什么我们去医院做CT时 ， 没有先让我们吸一口氙气呢？这锅医生可不背 。 其实这是因为氙气目前面临提纯难的问题 ， 所以价格昂贵 。 毫不夸张地说 ， 小小一瓶氙气就足够给各位朋友们一人送一枚钻戒了！
02水合物沉积物“现形”
2020年3月 ， 中国南海神狐海域海上平台 ， 那熊熊火焰又一次吸引了全球的目光 。 那团火焰标志着我国南海可燃冰完成二次试采工作 。
可燃冰 ， 学名为天然气水合物 ， 广泛分布于陆域永久冻土带和深海浅覆盖层的松散沉积物中 ， 是甲烷等烃类气体和水在高压低温条件下形成的具有笼状结构的类冰状结晶物质 。 天然气水合物资源密度高 ， 全球分布广泛 ， 具有极高的资源价值 ， 是油气工业界长期研究的热点 。
然而 ， 天然气水合物的开采会改变天然气水合物相平衡条件 ， 引起水合物的分解 ， 导致地质结构发生变化 ， 可能引发一系列地质和生态问题 。 到目前为止 ， 可燃冰开采研究仍面临着巨大的挑战 。 （想了解天然气水合物前世今生的小伙伴 ， 可以看一波龙宫探宝—深埋于海底的可燃冰揭秘）
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我国南海海域可燃冰试采点火现场（图片来源：央视新闻）
由于很难获取现场样品 ， 需要我们在实验室中合成并观察水合物的生成和分解过程 ， 以指导现场实际开采工作 。
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室内合成的甲烷水合物（图片来源：作者自制）
我们如何能够直观获取水合物的形态和分布特征呢？如果利用疫情中大显身手的CT ， 把水合物放在X射线下扫描 ， 可以像看人体的五脏六腑一样得到水合物的形态特征么？随着CT技术的不断进步 ， 为了提高成像效果 ， 近十年来 ， 超高分辨的微米及纳米级别的X-CT被广泛应用于水合物的研究中 ， 也使得水合物的科学研究迈上了新的台阶 。
但是 ， 科学家们仍面临艰巨的考验 ， CT是根据线性吸收系数 ， 即密度差来分辨不同物质的 ， 而天然气水合物的密度与水的密度接近 ， 因此很难将水合物与水区分开来 。
既然医疗上可以用氙气作显影剂 ， 那么我们是否可以合成氙气水合物 ， 让它也一展身手呢？
经过前期大量实验研究 ， 科学家们发现氙气与水可以在适宜的条件下生成水合物 ， 而氙气的显影性也给水合物的观察和相关研究带来了便利 。
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氙气水合物（亮白色）与石英砂（灰色）（图片来源：作者自制）
不仅如此 ， 氙气水合物的合成技术还被应用到了氙气的提纯研究中 。 空气中的氙含量为0.09 ppm（1%=10000ppm） ， 而在天然气中氙含量约为0.15 % vol.%（体积百分比）[1] 。 天然气的主要组成成分包括甲烷、乙烷、丙烷等烃类气体 ， 这些烃类气体都可以生成气体水合物 ， 但它们的生成和分解条件都比氙气水合物苛刻的多 。 那么 ， 生成混合组分的气体水合物后 ， 再基于不同的分解条件 ， 我们就可以提取得到纯净的氙气了[2] 。 还记得我们前面提到的氙气有多昂贵吗？未来某一天 ， 也许氙气水合物提纯法会让这个神秘的元素变得不再陌生 。
所以 ， 不要小觑自然界中的每一种元素 ， 虽然它们在元素周期表内只占据了小小一个方框 ， 却耗费了科学家们毕生的经历 。 它们或许至今仍是一种未知的元素 ， 但在不久的将来 ， 也可能会指引我们的科学研究攀向新的高峰！
（本文图片均由作者提供）
作者单位：中国科学院广州能源研究所
参考文献：
[1] Godish T, Davis WT, Fu JS. Air quality: CRC Press; 2014.
[2] Sergeeva M, Petukhov A, Shablykin D, Trubyanov M, Atlaskin A, Malyshev V, et al. Xenon recovery from natural gas by multiple gas hydrate crystallization: a theory and simulation. Sep Sci Technol. 2020;55:144-54
[3] Li JF, Ye JL, Qin XW, Qiu HJ, Wu NY, Lu HL, et al. The first offshore natural gas hydrate production test in South China Sea. China Geology. 2018;1:5-16.
[4] Ye JL, Qin XW, Xie WW, Lu HL, Ma BJ, Qiu HJ, et al. The second natural gas hydrate production test in the South China Sea. China Geology. 2020;3:197-209.
[5] Jin S, Nagao J, Takeya S, Jin Y, Hayashi J, Kamata Y, et al. Structural investigation of methane hydrate sediments by microfocus X-ray computed tomography technique under high-pressure conditions. Jpn J Appl Phys 2. 2006;45:L714-L6.
[6] Ma SH, Zheng JN, Tang DW, Li YP, Li QP, Lv X. Application of X-Ray Computed Tomography Technology in Gas Hydrate. Energy Technol-Ger. 2019;7.
[7] Ewing GJ, Ionescu LG. Dissociation Pressure and Other Thermodynamic Properties of Xenon-Water Clathrate. J Chem Eng Data. 1974;19:367-9.
[8] Jin Y, Konno Y, Nagao J. Pressurized subsampling system for pressured gas-hydrate-bearing sediment: Microscale imaging using X-ray computed tomography. Rev Sci Instrum. 2014;85.
[9] Kou X, Li XS, Wang Y, Wan K, Chen ZY. Pore-scale Analysis of Relations Between Seepage Characteristics and Gas Hydrate Growth Habit in Porous Sediments. Energy. 2020:119503.
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