Simulationen der Ohio University auf dem PSC-Supercomputer transformieren Kohle

Kohle bekommt heutzutage schlechte Presse. Klimawissenschaftler prognostizieren bis zum Jahr 2100 einen Anstieg der durchschnittlichen globalen Temperaturen um 2 bis 10 Grad Fahrenheit. Die Möglichkeit drastischer Veränderungen der Wetterbedingungen, des Pflanzenwachstums und des Meeresspiegels stellt unseren starken Einsatz von kohlenstoffbasierten Brennstoffen wie Kohle in Frage.

Aber das muss nicht so sein.

Der Antrieb unserer Fahrzeuge mit Strom kann den CO2-Ausstoß direkt reduzieren. Die Umstellung könnte es uns auch ermöglichen, sie mit CO2-neutralen Energiequellen aufzuladen. Der Clou ist, dass die Lithium-Ionen-Batterien jedes Tesla Model S etwa 100 Pfund Graphit benötigen. Und Wissenschaftler wissen seit Generationen, dass man Kohle zumindest theoretisch in Graphit umwandeln kann, wenn man sie bei ausreichend hoher Temperatur unter ausreichenden Druck setzt.

Um herauszufinden, wie Kohle in wertvolle Materialien wie Graphit umgewandelt werden kann, beschlossen David Drabold und sein Physikteam an der Ohio University, die Substanzen in Computersoftware zu simulieren. Um die chemische Umwandlung virtuell nachzubilden, griffen sie auf den fortschrittlichen Forschungscomputer Bridges-2 am Pittsburgh Supercomputing Center (PSC) zurück. Bridges-2 ist der Flaggschiff-Supercomputer des PSC, finanziert von der National Science Foundation.

„Die Art und Weise, wie diese [Arbeit] zustande kam, ist, dass hier einige Ingenieure sind, die großartige Arbeit [an CO2-neutralen] Dingen mit Kohle leisten. Sie möchten es aus offensichtlichen Gründen nicht verbrennen; Aber kann man daraus Baumaterialien herstellen, hochwertige Materialien wie Graphit? Nonso und mich interessiert wirklich die Frage: Können wir Graphit aus dem Zeug herausbekommen?“

— David Drabold, angesehener Professor für Physik an der Ohio University.

Reiner Graphit ist eine Reihe von Schichten, die aus sechs Kohlenstoffringen bestehen. Eine spezielle Art chemischer Bindung, sogenannte aromatische Bindungen, hält diese Kohlenstoffe zusammen.

In aromatischen Bindungen schweben Pi-Elektronen über und unter den Ringen. Diese „rutschigen“ Elektronenwolken führen dazu, dass die Schichten leicht aneinander vorbeigleiten. Bleistiftmine – eine minderwertige Form von Graphit – hinterlässt Spuren auf dem Papier, weil die Blätter voneinander abrutschen und am Papier kleben bleiben.

Aromatische Bindungen haben einen weiteren Vorteil, der in der elektronischen Technologie wichtig ist. Die Pi-Elektronen bewegen sich leicht von Ring zu Ring und von Blatt zu Blatt. Dadurch leitet Graphit Strom, obwohl es kein Metall ist. Es ist das ideale Material für eine Anode, den Pluspol einer Batterie.

Im Vergleich dazu ist Kohle chemisch chaotisch. Im Gegensatz zur streng zweidimensionalen Natur einer Graphitplatte weist sie Verbindungen in drei Dimensionen auf. Es enthält außerdem Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und andere Atome, die die Graphitbildung stören könnten.

Um mit ihren Studien zu beginnen, schuf Drabolds Team eine vereinfachte „Kohle“, die nur aus Kohlenstoffatomen an zufälligen Positionen bestand. Indem sie diese vereinfachte Kohle Druck und hoher Temperatur – etwa 3.000 Kelvin oder fast 5.000 Fahrenheit – aussetzen, könnten sie einen ersten Schritt bei der Untersuchung ihrer Umwandlung in Graphit machen.

„Um das amorphe Graphitpapier herauszubringen, mussten wir viele ernsthafte Analysen durchführen. Im Vergleich zu anderen Systemen, die wir haben, ist Bridges das schnellste und genaueste. Unsere Heimsysteme … brauchen etwa zwei Wochen, um 160 Atome zu simulieren. Mit Bridges können wir mithilfe der Dichtefunktionaltheorie 400 Atome über einen Zeitraum von sechs bis sieben Tagen betreiben.“

— Chinonso Ugwumadu, ein Physikdoktorand an der Ohio University.

Zunächst führten die Wissenschaftler aus Ohio ihre Simulationen anhand grundlegender physikalischer und chemischer Prinzipien über die Dichtefunktionaltheorie durch. Dieser genaue, aber rechenintensive Ansatz erforderte viele parallele Berechnungen – eine Stärke der mehr als 30.000 Rechenkerne von Bridges-2. Später verlagerten sie ihre Berechnungen auf ein neues Softwaretool, GAP (Gaussian Approximation Potential), das von Mitarbeitern der University of Cambridge und der University of Oxford in England entwickelt wurde. GAP nutzt eine Art künstlicher Intelligenz namens maschinelles Lernen, um im Wesentlichen dieselben Berechnungen viel schneller durchzuführen. Die Doktoranden Rajendra Thapa und Ugwumadu tauschten sich gegen die Leitung der ersten Rechenarbeit aus.

Ihre Ergebnisse waren komplizierter und einfacher, als das Team erwartet hatte. Die Blätter bildeten sich. Aber die Kohlenstoffatome entwickelten nicht vollständig einfache Sechs-Kohlenstoff-Ringe. Ein Teil der Ringe hatte fünf Kohlenstoffatome; andere hatten sieben.

Die Nicht-Sechs-Kohlenstoff-Ringe stellten in mehrfacher Hinsicht eine interessante Falte dar. Während Sechs-Kohlenstoff-Ringe flach sind, kräuseln sich Fünf- und Sieben-Kohlenstoff-Ringe, allerdings mit entgegengesetzter „positiver und negativer Krümmung“. Die Wissenschaftler hätten erwartet, dass diese Falten die Bildung der Graphitschichten zerstören würden. Aber es bildeten sich trotzdem Blätter, möglicherweise weil sich in den Simulationen Fünfecke und Siebenecke gegenseitig ausbalancierten. Die Platten bestanden technisch gesehen aus amorphem Graphit, da sie nicht nur aus sechs Ringen bestanden. Aber auch hier bildeten sie Schichten.

In einer weiteren Reihe von Simulationen knüpfte Ugwumadu an seine Arbeit mit Thapa an und untersuchte Moleküle statt Festkörper. Die Bedingungen in diesen Simulationen führten dazu, dass sich die Laken in sich selbst zusammenzogen. Anstelle von Schichten bildeten sie verschachtelte amorphe Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) – eine Reihe von ineinander liegenden einatomigen Röhren. CNTs erfreuen sich in der Materialwissenschaft in letzter Zeit großer Beliebtheit, da es sich dabei um winzige Drähte handelt, mit denen sich Elektrizität in unglaublich kleinen Maßstäben leiten lässt. Weitere vielversprechende Anwendungen von CNTs sind die Brennstoffzellenkatalyse, die Herstellung von Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien, die Abschirmung elektromagnetischer Störungen, die biomedizinischen Wissenschaften und die Nanoneurowissenschaften.

Ein wichtiger Aspekt der CNT-Arbeit bestand darin, dass Ugwumadu untersuchte, wie amorphe Falten in den Rohrwänden die Bewegung von Elektrizität durch die Struktur beeinflussen. In der Materialwissenschaft ist jeder „Fehler“ auch ein „Merkmal“: Ingenieure können solche Unregelmäßigkeiten möglicherweise nutzen, um das Verhalten eines bestimmten CNT so abzustimmen, dass es genau den Anforderungen eines neuen elektronischen Geräts entspricht.

Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Ergebnisse in zwei Artikeln, einer über die Bildung der amorphen Graphitschichten in der Zeitschrift Physical Review Letters im Juni 2022 und einer über die CNTs in Physica Status Solidi B im Dezember 2022. Ein weiterer ging darauf ein, wie die fünf- und In die Scheiben passen siebengliedrige Ringe, ist im European Journal of Glass Science and Technology im Druck.

Das Team aus Ohio untersucht weiterhin die Umwandlung von Kohlenstoffatomen in Graphit und verwandte Materialien. Ein weiteres laufendes Projekt ist die Simulation amorpher verschachtelter Fullerene, fußballförmiger Strukturen, die von wissenschaftlichem Interesse sind, insbesondere in der Nano-Neurowissenschaft. Außerdem veröffentlichten sie im November 2022 einen Artikel über die Fullerene. Das Team untersucht außerdem den Einsatz der leistungsstarken Grafikverarbeitungseinheiten von Bridges-2, die möglicherweise ihre ML-basierten VAST-Berechnungen beschleunigen könnten, um ihnen kompliziertere Materialien wie echte Kohle zugänglich zu machen Simulationen.

Dieser Artikel wird mit Genehmigung des Pittsburgh Supercomputing Center abgedruckt.