Углеподобный материал, преобразованный в аморфный графит и нанотрубки в симуляциях

В мире потепления уголь часто может показаться «плохим парнем». Но мы можем делать с углем и другие вещи, помимо его сжигания. Команда из Университета Огайо использовала систему Bridges-2 Питтсбургского суперкомпьютерного центра для проведения серии симуляций, показывающих, как в конечном итоге уголь может быть преобразован в ценные и углеродно-нейтральные материалы, такие как графит и углеродные нанотрубки.

Почему это важно

В наши дни уголь получает плохие отзывы. Ученые-климатологи предсказывают повышение средней глобальной температуры от 2 до 10 градусов по Фаренгейту к 2100 году. Возможность резких изменений погодных условий , роста урожая и уровня моря ставит под сомнение наше интенсивное использование углеродного топлива, такого как уголь.

Но это не должно быть так.

«Эта [работа] возникла благодаря тому, что здесь есть несколько инженеров… которые отлично работают [по углеродно-нейтральным] вещам с использованием угля», — сказал Дэвид Драболд, выдающийся профессор физики в Университете Огайо. «Вы не хотите его сжигать по понятным причинам, но можете ли вы сделать из него строительные материалы , ценные материалы, такие как графит? [Аспирант] Нонсо и меня очень интересует вопрос, можем ли мы получить графит из материала?»

Приведение наших автомобилей в действие электричеством может напрямую сократить выбросы углекислого газа. Сдвиг также может позволить нам заряжать их, используя углеродно-нейтральные источники энергии. Самое интересное, что для каждой литий-ионной батареи Tesla Model S требуется около 100 фунтов графита. И ученым известно из поколения в поколение, что, по крайней мере теоретически, можно превратить уголь в графит, если подвергнуть его достаточному давлению при достаточно высокой температуре.

Чтобы изучить, как уголь может быть преобразован в ценные материалы, такие как графит, Дэвид Драболд и его команда из Университета Огайо решили смоделировать вещества в компьютерном программном обеспечении. Чтобы виртуально воссоздать химическую конверсию , они обратились к передовому исследовательскому компьютеру Bridges-2 в PSC. Bridges-2 — флагманский суперкомпьютер Питтсбургского суперкомпьютерного центра.

Как PSC помог

Чистый графит представляет собой серию пластин, состоящих из шестиуглеродных колец. Особый тип химической связи, называемой ароматической связью, удерживает эти атомы углерода вместе.

В ароматических связях пи-электроны плавают над и под кольцами. Эти «скользкие» электронные облака заставляют листы легко скользить друг мимо друга. Карандашный «грифель» — разновидность графита низкого качества — оставляет след на бумаге, потому что листы соскальзывают друг с друга и прилипают к бумаге.

У ароматических связей есть еще одно достоинство, важное в электронной технике. Пи-электроны легко перемещаются от кольца к кольцу и от листа к листу. Это заставляет графит проводить электричество, хотя это не металл. Это идеальный материал для анода, положительного полюса батареи.

Уголь, по сравнению с ним, химически грязный. В отличие от строго двухмерной природы графитового листа, он имеет соединения в трех измерениях. Он также содержит водород, кислород, азот, серу и другие атомы, которые могут нарушить образование графита.

Чтобы начать свои исследования, команда Драболда создала упрощенный «уголь», который состоял только из атомов углерода в случайных положениях. Подвергая этот упрощенный уголь давлению и высокой температуре — около 3000 Кельвинов или почти 5000 Фаренгейтов — они могли сделать первый шаг в изучении его превращения в графит.

«Чтобы выпустить бумагу из аморфного графита, нам нужно было провести много серьезных анализов», — сказал Чинонсо Угвумаду, докторант физики в Университете Огайо в группе Драболда. «По сравнению с другими системами, которые у нас есть, Bridges — самая быстрая и точная. Нашим домашним системам… требуется около двух недель для имитации 160 атомов. С Bridges мы можем запустить 400 атомов за шесть-семь дней, используя теорию функционала плотности».

Сначала ученые из Огайо проводили моделирование, используя основные физические и химические принципы теории функционала плотности. Этот точный, но требовательный к вычислениям подход требовал множества параллельных вычислений — мощность Bridges-2 превышает 30 000 вычислительных ядер. Позже они перенесли свои расчеты на новый программный инструмент GAP (потенциал аппроксимации Гаусса), разработанный сотрудниками Кембриджского и Оксфордского университетов в Англии. GAP использует тип искусственного интеллекта, называемый машинным обучением, для выполнения практически тех же вычислений гораздо быстрее. Аспиранты Раджендра Тхапа и Угвумаду обменялись тем, что возглавили начальную вычислительную работу.

Их результаты оказались сложнее и проще, чем ожидала команда. Листы образовались. Но атомы углерода не полностью образовали простые шестиуглеродные кольца. Часть колец содержала пять атомов углерода; у других было семь.

Кольца, не состоящие из шести атомов углерода, представляли интересную проблему во многих смыслах. В то время как шестиуглеродные кольца плоские, пяти- и семичленные углеродные кольца сморщены, но в противоположных смыслах «положительной и отрицательной кривизны». Ученые могли ожидать, что эти складки разрушат формирование графитовых листов. Но листы все равно образовались, возможно, потому, что пятиугольники и семиугольники уравновешивали друг друга в симуляциях. Листы технически были аморфным графитом, потому что они не были чисто шестикольцевыми. Но опять же, они образовали слои.

В другой серии симуляций Угвумаду продолжил свою работу с Тапой по изучению молекул, а не твердых тел. Условия в этих симуляторах заставляли листы искривляться сами по себе. Вместо листов они сформировали вложенные аморфные углеродные нанотрубки (УНТ) — ряд трубок с одним атомным слоем, одна внутри другой. В последнее время УНТ были популярны в материаловедении, поскольку они представляют собой крошечные провода, которые можно использовать для проведения электричества в невероятно малых масштабах. Другие многообещающие области применения УНТ включают катализ топливных элементов, производство суперконденсаторов и литий-ионных аккумуляторов, защиту от электромагнитных помех, биомедицинские науки и нано-нейробиологию.

Одним из важных аспектов работы CNT было то, что Угвумаду изучал, как аморфные морщины в стенках трубки влияют на движение электричества через структуру. В материаловедении каждая «ошибка» также является «особенностью» — инженеры могут использовать такие нарушения для настройки поведения данной УНТ в соответствии с точными требованиями, предъявляемыми к новому электронному устройству.

Ученые опубликовали свои результаты в двух статьях: одна о формировании листов аморфного графита в журнале Physical Review Letters в июне 2022 года, а другая об УНТ в журнале Physica Status Solidi B в декабре 2022 года. Семичленные кольца помещаются в листы, находится в печати в Европейском журнале науки и технологии стекла .

Команда из Огайо продолжает изучать превращение атомов углерода в графит и родственные материалы. Другой текущий проект — моделирование аморфных вложенных фуллеренов, структур в форме футбольного мяча, которые представляют научный интерес, особенно в нано-нейробиологии. Они также опубликовали статью о фуллеренах в ноябре 2022 года в Carbon Trends . Команда также исследует возможность использования мощных графических процессоров Bridges-2, которые потенциально могут ускорить их вычисления VAST на основе машинного обучения, чтобы сделать более сложные материалы, такие как реальный уголь, доступными для их моделирования.