Un matériau semblable au charbon transformé en graphite et en nanotubes amorphes dans les simulations

Dans un monde qui se réchauffe, le charbon peut souvent sembler être le « méchant ». Mais on peut faire autre chose avec le charbon en plus de le brûler. Une équipe de l’Université de l’Ohio a utilisé le système Bridges-2 du Pittsburgh Center for Supercomputing pour effectuer une série de simulations qui montrent comment le charbon peut éventuellement être transformé en matériaux précieux – et neutres en carbone – tels que le graphite et les nanotubes de carbone.

Pourquoi c’est important

Le charbon a mauvaise presse ces temps-ci. Les climatologues prévoient que les températures mondiales moyennes augmenteront entre 2 et 10 degrés Fahrenheit d’ici l’an 2100. La possibilité de changements drastiques dans conditions météorologiquesEt la croissance des cultures et le niveau de la mer remettent en question notre forte utilisation de combustibles carbonés comme le charbon.

Mais cela ne doit pas être le cas.

« Par ici [work] Certains ingénieurs sont venus ici… faisant du bon travail [on carbon-neutral] « Des choses à propos du charbon », a déclaré David Darabold, professeur émérite de physique à l’Université de l’Ohio. « Vous ne voulez pas le brûler pour des raisons évidentes ; mais pourriez-vous Les matériaux de construction Vous sortez de matériaux de grande valeur comme le graphite ? [Graduate student] Nonso et moi sommes vraiment intéressés par la question, pouvons-nous retirer du graphite des choses ? « 

L’électrification de nos voitures peut réduire directement nos émissions de carbone. La transformation peut aussi nous permettre de les charger de émission de dioxyde de carbone Les sources d’énergie. Fait intéressant, les batteries lithium-ion Tesla Model S nécessitent environ 100 livres de graphite. Et les scientifiques savent depuis des générations que, du moins en théorie, vous pouvez transformer le charbon en graphite si vous le mettez sous une pression suffisante à une température suffisamment élevée.

Pour explorer comment transformer le charbon en matériaux précieux comme le graphite, David Darabold et son équipe de l’Université de l’Ohio ont décidé de simuler les matériaux dans des programmes informatiques. Pour recréer un fichier conversion chimique En fait, ils se sont tournés vers l’ordinateur de recherche avancée Bridges-2 de la CFP. Bridges-2 est le supercalculateur phare du Pittsburgh Supercomputing Center.

Comment PSC a-t-il aidé?

Le graphite pur est une série de feuilles de six anneaux de carbone. Un type spécial de liaison chimique appelée liaison aromatique maintient ces carbones ensemble.

Dans les liaisons aromatiques, les électrons pi flottent au-dessus et au-dessous des anneaux. Ces nuages ​​d’électrons « glissants » font glisser facilement les plaques les unes sur les autres. Un crayon « plomb » – une forme de graphite de qualité inférieure – laisse une marque sur le papier car les feuilles glissent les unes sur les autres et collent au papier.

Les liaisons aromatiques ont une autre vertu importante dans la technologie électronique. Les électrons Pi se déplacent facilement d’un anneau à l’autre et d’une feuille à l’autre. Cela rend le graphite conducteur d’électricité, même s’il n’est pas un métal. C’est le matériau idéal pour l’anode, l’électrode positive de la batterie.

Le charbon de bois, en comparaison, est chimiquement salissant. Contrairement à la nature strictement bidimensionnelle des feuilles de graphite, elles ont des connexions en trois dimensions. Il contient également de l’hydrogène, de l’oxygène, de l’azote, du soufre et d’autres atomes qui peuvent perturber la formation du graphite.

Pour commencer leur étude, l’équipe de Darabold a créé un « charbon de bois » simplifié composé uniquement d’atomes de carbone à des emplacements aléatoires. En exposant ce charbon simplifié à une pression et une température élevées – environ 3 000 Kelvin, soit environ 5 000 Fahrenheit – ils pourraient faire le premier pas vers l’étude de sa conversion en graphite.

« Pour déployer la feuille de graphite amorphe, nous avons dû faire beaucoup d’analyses sérieuses », a déclaré Chenonso Ojoumado, doctorant en physique de l’Université de l’Ohio dans le groupe de Darabold. « Comparé à d’autres systèmes que nous avons, Bridges est le plus rapide et le plus précis. Nos systèmes domestiques… prennent environ deux semaines pour simuler 160 atomes. Avec Bridges, nous pouvons faire fonctionner 400 atomes sur six à sept jours en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité. »

Tout d’abord, les scientifiques de l’Ohio ont exécuté leurs simulations en utilisant des principes physiques et chimiques de base via la théorie fonctionnelle de la densité. Cette approche rigoureuse mais lourde en calculs nécessite de nombreux calculs parallèles – une centrale de plus de 30 000 cœurs de calcul de Bridges-2. Plus tard, ils ont transféré leurs calculs vers un nouvel outil logiciel, GAP (Gaussian Approximation Possibility) conçu par des collaborateurs de l’Université de Cambridge et de l’Université d’Oxford en Angleterre. GAP utilise un type d’intelligence artificielle appelé apprentissage automatique pour effectuer essentiellement les mêmes calculs plus rapidement. Les étudiants diplômés Rajendra Thapa et Ugwumadu ont partagé la direction du travail de calcul initial.

Leurs résultats étaient plus complexes et plus simples que ce à quoi l’équipe s’attendait. Les feuilles se forment. Mais les atomes de carbone n’ont pas développé de simples anneaux à six carbones. Une partie des anneaux contient cinq atomes de carbone. d’autres en avaient sept.

Les six anneaux non carbonés formaient une ride intéressante, à plus d’un titre. Alors que les anneaux à six carbones sont plats, les anneaux à cinq et sept carbones sont froissés, mais dans des sens opposés de «courbure positive et négative». Les scientifiques s’attendaient peut-être à ce que ces rides gâchent la formation des feuilles de graphite. Mais les feuilles se sont quand même formées, peut-être parce que les pentagones et les heptagones étaient déséquilibrés les uns par rapport aux autres dans la simulation. Les feuilles de graphite étaient techniquement amorphes car elles n’étaient pas seulement à six anneaux. Mais encore une fois, ils ont formé des couches.

Dans une autre série de simulations, Ogwumado a poursuivi son travail avec Thapa pour étudier les particules plutôt que les solides. Les conditions de cette simulation ont amené les feuilles à se recroqueviller sur elles-mêmes. Au lieu de feuilles, ils ont formé des nanotubes de carbone amorphes (NTC) imbriqués – une série de monocouches atomiques, les unes dans les autres. Les nanotubes de carbone ont été très en vogue dans la science des matériaux ces derniers temps, car ce sont en fait de minuscules fils qui peuvent être utilisés pour conduire l’électricité à des échelles incroyablement petites. D’autres applications prometteuses des nanotubes de carbone comprennent la catalyse des piles à combustible, la production de supercondensateurs et de batteries lithium-ion, le blindage contre les interférences électromagnétiques, les sciences biomédicales et les neurosciences à l’échelle nanométrique.

Un aspect important du travail de CNT était qu’Ugwumadu a étudié comment les rides amorphes dans les parois des tubes affectent le mouvement de l’électricité à travers la structure. dans un La science des matériauxChaque « défaut » est également une « fonctionnalité » – les ingénieurs peuvent être en mesure d’utiliser ces irrégularités pour affiner le comportement d’un CNT particulier afin qu’il corresponde aux exigences exactes requises dans un nouvel appareil électronique.

Les scientifiques ont publié leurs découvertes dans deux articles, l’un sur la formation de feuilles de graphite amorphe dans la revue Lettres d’examen physique en juin 2022, et une sur la Confédération à Solidi b en décembre 2022. Un autre, sur la façon dont les anneaux à cinq et sept membres s’intègrent dans les feuilles, est en cours d’impression à Journal européen des sciences et technologies du verre.

L’équipe de l’Ohio continue d’étudier la conversion des atomes de carbone en graphite et matériaux connexes. Un autre projet en cours consiste à simuler des fullerènes imbriqués amorphes, des structures en forme de ballon de football d’intérêt scientifique, notamment en neurosciences à l’échelle nanométrique. Ils ont également publié un article sur les fullerènes en novembre 2022 dans tendances carbone. L’équipe envisage également d’utiliser les puissants GPU de Bridges-2, qui pourraient potentiellement accélérer les calculs VAST basés sur ML, pour rendre des matériaux plus complexes comme le vrai charbon accessible pour la simulation.