气体水合物是由氢键连接的水分子在适当的压力和温度条件下将甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2）和氢气（H2）等气体分子笼形包裹而形成的结晶化合物[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]]。它们在许多工业过程中发挥着重要作用，因为在天然气管道和石油井中形成气体水合物会阻碍流体流动，导致管道破裂和造成经济及生态代价高昂的严重事故[7,[9], [10], [11], [12], [13], [14]]。研究人员仍在寻找经济环保的解决方案以最小化气体水合物的形成[4,6,15]。气体水合物是自然界中显著存在的现象，由于具有潜在的储层和大量储存的烃类，已被考虑用于能源存储[16,17]。据估计，其储量是已知所有化石燃料储量的两倍，未来可能取代传统化石燃料[17]。对沉积物和土壤中介稳矿物的研究表明，介稳矿物可以在其层间容纳多种水合有机分子[[18], [19], [20], [21]]，并且蒙脱石上可以吸附相当数量的甲烷[[22], [23], [24]]。沉积物和土壤中气体水合物的稳定性非常重要，需要加以研究，因为它们对全球变暖有贡献，因为甲烷是一种重要的温室气体[25]。蒙脱石是2:1型黏土矿物，由一个八面体片夹在两个四面体片之间组成。八面体位中Mg2+对Al3+的同晶替代以及四面体位中Al3+对Si4+的同晶替代导致蒙脱石带负电荷。该电荷由Na+、K+和Ca2+等抗衡离子补偿。这些层间阳离子可以通过阳离子交换容量过程与水性溶液中存在的其他阳离子交换。Na-Mt在潮湿环境中表现出很强的膨胀能力，可能显示两种不同的状态，即晶体膨胀和渗透膨胀[[26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]]。这些性质通过标准条件下的实验和理论研究已得到充分证实[[33], [34], [35], [36], [37], [38], [39]]。据我们所知，关于甲烷与黏土之间的相互作用，目前还有许多未知的方面。以往实验和理论研究集中在甲烷与2:1型黏土矿物的相互作用上，以了解甲烷络合物的行为和形成[18,24,[40], [41], [42]]。Guggenheim和Koster van Groos在一项实验研究报告了甲烷水合物在钠交换蒙脱石2:1层之间的层间区域的容纳[27]。Cha等人[43]通过实验证明，大的比表面积在气体水合物形成中起关键作用，并且介稳矿物中水合甲烷络合物的稳定T-P范围比水中的范围更广。由于天然气体水合物的实验数据有限，分子动力学模拟已被证明是理论上理解其行为的一个优秀工具[44]。Zhou等人[20]利用分子动力学模拟发现，在模拟的介稳矿物层间，甲烷分子被大约12-13个水分子溶剂化，并与来自黏土矿物表面的5-6个四面体氧原子配位，同时表明层间电荷可以显著影响甲烷水合行为。Cyan等人[45]利用分子动力学模拟研究了膨胀蒙脱石黏土层间区域甲烷和水的结构与行为。Chialvo等人[46]使用一系列NPT系综模拟甲烷和二氧化碳水合物，利用三种不同的刚性H2O模型展示了结构和能量的巨大变化。Titiloye和Skipper从理论上考察了甲烷向介稳黏土中的结构和传输行为[44,47]。Jie等人[48]采用分子动力学模拟表明，降低温度或增加压力以及黏土孔隙中束缚水分子的活动性，显著影响水合物相平衡。Zhongjin等人[49]利用分子动力学模拟发现，由于黏土表面的亲水性和电荷特性，二氧化硅表面束缚水上的水合物形成高于自由水。Xintong等人[50]采用机器学习表明，甲烷水合物二氧化硅界面强度主要受界面微观结构支配，其中氢键被确定为控制力学性能的主导因素。Yanwen等人[51]结合MD模拟和机器学习表明，氧化石墨烯的适度氧化（10-40%）通过增加表面疏水性促进甲烷水合物形成，而过氧化则由于界面处致密水层的形成而抑制水合物生长。Xintong等人[52]表明，水-二氧化硅相互作用能是控制界面力学强度的主要因素，而表面结构特性影响有限。本研究旨在探讨不同温度和压力条件下甲烷插入过程中Na-Mt的膨胀行为。通过MD模拟含水甲烷在Na-Mt上的研究，研究了黏土层电荷和层间Na阳离子对水合甲烷络合物形成的影响，以及水氧-层间阳离子、水氧-甲烷、黏土矿物表面氧与层间物种之间的相互作用对层间甲烷水合物行为和稳定性的影响。
