Simulationen verwandeln Kohle

In einer sich erwärmenden Welt scheint Kohle oft der „Bösewicht“ zu sein, aber Kohle hat neben der Verbrennung noch weitere Verwendungszwecke.

Ein Team der Ohio University nutzte das Bridges-2-System des Pittsburgh Supercomputing Center (öffnet neues Fenster), um eine Reihe von Simulationen durchzuführen, die zeigten, wie Kohle letztendlich in wertvolle – und kohlenstoffneutrale – Materialien wie Graphit und Kohlenstoffnanoröhren umgewandelt werden könnte . Der Flaggschiff-Supercomputer des PSC, Bridges-2, ist eine gemeinsame Initiative der Carnegie Mellon University und der University of Pittsburgh und wird von der National Science Foundation finanziert.

Kohle bekommt heutzutage schlechte Presse. Klimaforscher 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 den starken Einsatz kohlenstoffbasierter Brennstoffe wie Kohle in Frage.

Aber das muss nicht so sein. David Drabold(öffnet ein neues Fenster), angesehener Professor für Physik an der Ohio University, und Chinonso Ugwumadu(öffnet ein neues Fenster) und Rajendra Thapa(öffnet ein neues Fenster), beide Doktoranden der Physik an der Ohio University, erforschen Wege zur Transformation Kohle in andere wertvolle Materialien umwandeln.

„Die Art und Weise, wie diese (Arbeit) zustande kam, ist, dass es hier einige Ingenieure gibt, die großartige Arbeit (an CO2-neutralen) Dingen mit Kohle leisten“, sagte Drabold. „Man möchte es aus offensichtlichen Gründen nicht verbrennen; aber kann man daraus Baumaterialien, hochwertige Materialien wie Graphit herstellen? (Chinonso) und mich interessiert wirklich die Frage, ob wir Graphit bekommen können.“ aus dem Zeug?"

Der Antrieb von Fahrzeugen mit Strom kann den CO2-Ausstoß direkt reduzieren. Die Umstellung könnte auch das Laden von Fahrzeugen über klimaneutrale Energiequellen ermöglichen. Der Clou ist, dass die Lithium-Ionen-Batterien jedes Tesla Model S etwa 100 Pfund Graphit benötigen. Wissenschaftler wissen seit Generationen, dass Kohle, zumindest theoretisch, in Graphit umgewandelt werden kann, wenn sie bei ausreichend hoher Temperatur einem ausreichenden Druck ausgesetzt wird.

Um herauszufinden, wie Kohle in wertvolle Materialien wie Graphit umgewandelt werden kann, simulierten die Forscher die Stoffe in Computersoftware. Um die chemische Umwandlung virtuell nachzubilden, wandte sich das Team der Ohio University an Bridges-2.

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. Kohle enthält außerdem Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und andere Atome, die die Graphitbildung stören können.

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 aussetzen – etwa 3.000 Grad Kelvin oder fast 5.000 Grad Fahrenheit – könnten sie einen ersten Schritt bei der Untersuchung ihrer Umwandlung in Graphit machen.

„Um das amorphe Graphitpapier herauszubringen, mussten wir viele ernsthafte Analysen durchführen“, sagte Ugwumadu. „Unsere Heimsysteme … brauchen etwa zwei Wochen, um 160 Atome zu simulieren. Mit Bridges können wir mithilfe der Dichtefunktionaltheorie 400 Atome innerhalb von sechs bis sieben Tagen betreiben.“

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.

Thapa und Ugwumadu waren sich einig, ob sie die ersten Rechenarbeiten leiteten. Ihre Ergebnisse waren komplizierter und einfacher als erwartet. Es bildeten sich zwar Schichten, aber die Kohlenstoffatome entwickelten nicht vollständig einfache Ringe mit sechs Kohlenstoffatomen. 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 in entgegengesetzter Richtung der „positiven und negativen 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 entspricht, die in einem neuen elektronischen Gerät erforderlich sind.

Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Ergebnisse in zwei Artikeln, einen über die Entstehung der amorphen Graphitschichten in der Zeitschrift Physical Review Letters(opens in new window) im Juni 2022 und einen über die CNTs in Physica Status Solidi (B(opens in new window). )) im Dezember 2022. Ein weiterer Beitrag darüber, wie die fünf- und siebengliedrigen Ringe in die Scheiben passen, 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. Sie veröffentlichten im November 2022 einen Artikel über die Fullerene (öffnet sich in neuem Fenster). Das Team untersucht außerdem die Verwendung der leistungsstarken Grafikverarbeitungseinheiten von Bridges-2, die möglicherweise ihre auf maschinellem Lernen basierenden VAST-Berechnungen beschleunigen könnten, um kompliziertere Materialien wie herzustellen reale Kohle für ihre Simulationen zugänglich zu machen.