Las simulaciones transforman el carbón

En un mundo que se calienta, el carbón a menudo puede parecer el "malo", pero el carbón tiene usos además de quemarlo.

Un equipo de la Universidad de Ohio utilizó el sistema Bridges-2 del Centro de Supercomputación de Pittsburgh (se abre en una ventana nueva) para llevar a cabo una serie de simulaciones que muestran cómo el carbón podría eventualmente convertirse en materiales valiosos (y neutros en carbono) como el grafito y los nanotubos de carbono. . Una iniciativa conjunta entre la Universidad Carnegie Mellon y la Universidad de Pittsburgh, la supercomputadora insignia del PSC, Bridges-2, está financiada por la Fundación Nacional de Ciencias.

El carbón tiene mala prensa estos días. Los científicos del clima predicen un aumento en las temperaturas globales promedio de entre 2 y 10 grados Fahrenheit para el año 2100. La posibilidad de cambios drásticos en los patrones climáticos, el crecimiento de los cultivos y los niveles del mar pone en duda el uso intensivo de combustibles basados ​​en carbono, como el carbón.

Pero no tiene por qué ser así. David Drabold(se abre en una ventana nueva), distinguido profesor de física en la Universidad de Ohio, y Chinonso Ugwumadu(se abre en una ventana nueva) y Rajendra Thapa(se abre en una ventana nueva), ambos estudiantes de doctorado en física en la Universidad de Ohio, están investigando formas de transformar carbón en otros materiales valiosos.

"La forma en que surgió este (trabajo) es que hay algunos ingenieros aquí... haciendo un gran trabajo (sobre carbono neutral) con carbón", dijo Drabold. "No quieres quemarlo por razones obvias; pero, ¿puedes fabricar materiales de construcción con él, materiales de alto valor, como el grafito? (Chinonso) y estoy realmente interesado en la pregunta: ¿podemos obtener grafito? fuera de las cosas?"

Impulsar vehículos con electricidad puede reducir las emisiones de carbono directamente. El cambio también podría permitir cargar vehículos a través de fuentes de energía neutras en carbono. Lo interesante es que las baterías de iones de litio de cada Tesla Model S requieren unas 100 libras de grafito. Los científicos saben desde hace generaciones que, al menos en teoría, el carbón se puede convertir en grafito si se lo somete a suficiente presión y a una temperatura suficientemente alta.

Para explorar cómo se puede convertir el carbón en materiales valiosos como el grafito, los investigadores simularon las sustancias en un software de ordenador. Para recrear virtualmente la conversión química, el equipo de la Universidad de Ohio recurrió a Bridges-2.

El grafito puro es una serie de láminas formadas por anillos de seis carbonos. Un tipo especial de enlace químico llamado enlace aromático mantiene unidos estos carbonos.

En los enlaces aromáticos, los electrones pi flotan por encima y por debajo de los anillos. Estas nubes de electrones "resbaladizas" hacen que las láminas se deslicen fácilmente unas sobre otras. La "mina" del lápiz, una forma de grafito de baja calidad, deja una marca en el papel porque las hojas se desprenden unas de otras y se pegan al papel.

Los enlaces aromáticos tienen otra virtud, importante en la tecnología electrónica. Los electrones pi se mueven fácilmente de anillo en anillo y de hoja en hoja. Esto hace que el grafito conduzca electricidad, aunque no sea un metal. Es el material ideal para un ánodo, el polo positivo de una batería.

El carbón, en comparación, es químicamente complicado. A diferencia de la naturaleza estrictamente bidimensional de una lámina de grafito, ésta tiene conexiones en tres dimensiones. El carbón también contiene hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y otros átomos que podrían alterar la formación de grafito.

Para comenzar sus estudios, el equipo de Drabold creó un "carbón" simplificado que constaba únicamente de átomos de carbono en posiciones aleatorias. Al exponer este carbón simplificado a presión y altas temperaturas (alrededor de 3.000 grados Kelvin, o casi 5.000 grados Fahrenheit), podrían dar un primer paso en el estudio de su conversión en grafito.

"Para sacar el papel de grafito amorfo necesitábamos hacer muchos análisis serios", dijo Ugwumadu. "Nuestros sistemas domésticos... tardan unas dos semanas en simular 160 átomos. Con Bridges, podemos procesar 400 átomos durante seis a siete días utilizando la teoría funcional de la densidad".

Al principio, los científicos de Ohio llevaron a cabo sus simulaciones utilizando principios físicos y químicos básicos a través de la teoría funcional de la densidad. Este enfoque preciso pero que requiere muchos cálculos requirió muchos cálculos paralelos, una ventaja de los más de 30.000 núcleos informáticos de Bridges-2. Posteriormente, trasladaron sus cálculos a una nueva herramienta de software, GAP (potencial de aproximación gaussiana) diseñada por colaboradores de la Universidad de Cambridge y la Universidad de Oxford en Inglaterra. GAP utiliza un tipo de inteligencia artificial llamado aprendizaje automático para realizar esencialmente los mismos cálculos mucho más rápidamente.

Thapa y Ugwumadu negociaron para liderar el trabajo computacional inicial. Sus resultados fueron más complicados y simples de lo esperado. Se formaron láminas, pero los átomos de carbono no desarrollaron por completo anillos simples de seis carbonos. Una fracción de los anillos tenía cinco carbonos; otros tenían siete.

Los anillos de menos de seis carbonos planteaban un problema interesante, en más de un sentido. Mientras que los anillos de seis carbonos son planos, los anillos de carbono de cinco y siete miembros se fruncen, pero en sentidos opuestos de "curvatura positiva y negativa". Los científicos podrían haber esperado que estos fruncidos arruinaran la formación de las láminas de grafito. Pero las láminas se formaron de todos modos, posiblemente porque los pentágonos y heptágonos se equilibraban entre sí en las simulaciones. Las láminas eran técnicamente grafito amorfo porque no tenían puramente seis anillos. Pero nuevamente, formaron capas.

En otra serie de simulaciones, Ugwumadu continuó su trabajo con Thapa para estudiar moléculas en lugar de sólidos. Las condiciones en estos sims hicieron que las sábanas se curvaran sobre sí mismas. En lugar de láminas, formaron nanotubos de carbono amorfos (CNT) anidados, una serie de tubos de una sola capa atómica, uno dentro de otro. Los CNT han estado de moda en la ciencia de materiales últimamente, ya que en realidad son cables diminutos que pueden usarse para conducir electricidad a escalas increíblemente pequeñas. Otras aplicaciones prometedoras de los CNT incluyen la catálisis de pilas de combustible, la producción de supercondensadores y baterías de iones de litio, el blindaje contra interferencias electromagnéticas, las ciencias biomédicas y la nanoneurociencia.

Una faceta importante del trabajo del CNT fue que Ugwumadu estudió cómo las arrugas amorfas en las paredes del tubo afectan el movimiento de la electricidad a través de la estructura. En la ciencia de los materiales, cada error es también una característica. Los ingenieros pueden utilizar tales irregularidades para ajustar el comportamiento de un CNT determinado para que coincida con los requisitos exactos necesarios en un nuevo dispositivo electrónico.

Los científicos publicaron sus resultados en dos artículos, uno sobre la formación de láminas de grafito amorfo en la revista Physical Review Letters (se abre en una ventana nueva) en junio de 2022, y otro sobre los CNT en Physica Status Solidi (B (se abre en una ventana nueva) )) en diciembre de 2022. Otro, sobre cómo encajan los anillos de cinco y siete miembros en las láminas, está en prensa en el European Journal of Glass Science and Technology.

El equipo de Ohio continúa estudiando la conversión de átomos de carbono en grafito y materiales relacionados. Otro proyecto en curso es la simulación de fullerenos anidados amorfos, estructuras con forma de balón de fútbol que son de interés científico, especialmente en nanoneurociencia. Publicaron un artículo sobre los fullerenos (se abre en una ventana nueva) en noviembre de 2022. El equipo también está investigando el uso de las potentes unidades de procesamiento de gráficos de Bridges-2, que potencialmente podrían acelerar sus cálculos VAST basados ​​en aprendizaje automático, para fabricar materiales más complicados como carbón del mundo real accesible para sus simulaciones.