Kohleähnliches Material, das in Simulationen zu amorphem Graphit und Nanoröhren umgewandelt wurde

In einer sich erwärmenden Welt kann Kohle oft als der „Bösewicht“ erscheinen. Aber wir können mit Kohle auch andere Dinge tun, als sie zu verbrennen. Ein Team der Ohio University verwendete das Bridges-2-System des Pittsburgh Supercomputing Center, um eine Reihe von Simulationen durchzuführen, die zeigten, wie Kohle schließlich in wertvolle – und kohlenstoffneutrale – Materialien wie Graphit und Kohlenstoffnanoröhren umgewandelt werden könnte.

Warum es wichtig ist

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

Aber es muss nicht so sein.

„So wie das [work] Es ist entstanden, dass hier einige Ingenieure sind … die großartige Arbeit leisten [on carbon-neutral] Dinge mit Kohle“, sagte David Drabold, angesehener Professor für Physik an der Ohio University. „Sie wollen es aus offensichtlichen Gründen nicht verbrennen; aber kann man daraus baustoffe machen, hochwertige materialien wie graphit? [Graduate student] Nonso und ich interessieren uns wirklich für die Frage, können wir Graphit aus dem Zeug herausholen?

Der Antrieb unserer Fahrzeuge mit Strom kann die CO2-Emissionen direkt reduzieren. Die Umstellung könnte es uns auch ermöglichen, sie mit CO2-neutralen Energiequellen aufzuladen. Der Kicker ist, dass die Lithium-Ionen-Batterien jedes Tesla-Modells 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 zu erforschen, wie Kohle in wertvolle Materialien wie Graphit umgewandelt werden kann, beschlossen David Drabold und sein Team von der Ohio University, die Substanzen in einer Computersoftware zu simulieren. Um die chemische Umwandlung virtuell nachzubilden, wandten sie sich dem fortschrittlichen Forschungscomputer Bridges-2 am PSC zu. Bridges-2 ist der Flaggschiff-Supercomputer des Pittsburgh Supercomputing Center.

Wie PSC geholfen hat

Reiner Graphit ist eine Reihe von Blättern, die aus Sechs-Kohlenstoff-Ringen bestehen. Eine spezielle Art chemischer Bindung, die als aromatische Bindung bezeichnet wird, hält diese Kohlenstoffe zusammen.

In aromatischen Bindungen schweben Pi-Elektronen über und unter den Ringen. Diese „schlüpfrigen“ Elektronenwolken lassen die Blätter leicht aneinander vorbeigleiten. Bleistift „Mine“ – eine minderwertige Form von Graphit – hinterlässt Spuren auf dem Papier, weil die Blätter voneinander abrutschen und am Papier haften 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 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 unordentlich. Im Gegensatz zur streng zweidimensionalen Natur einer Graphitfolie hat sie Verbindungen in drei Dimensionen. Es enthält auch Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und andere Atome, die die Graphitbildung stören könnten.

Um ihre Studien zu beginnen, schuf Drabolds Team eine vereinfachte „Kohle“, die nur aus Kohlenstoffatomen an zufälligen Positionen bestand. Indem sie diese vereinfachte Kohle Druck und hohen Temperaturen – etwa 3.000 Kelvin oder fast 5.000 Fahrenheit – aussetzen, könnten sie einen ersten Schritt zur Untersuchung ihrer Umwandlung in Graphit unternehmen.

„Um das amorphe Graphitpapier herauszudrücken, mussten wir viele ernsthafte Analysen durchführen“, sagte Chinonso Ugwumadu, ein Physik-Doktorand an der Ohio University in Drabolds Gruppe. „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 400 Atome über sechs bis sieben Tage mit Dichtefunktionaltheorie betreiben.“

Zunächst führten die Wissenschaftler aus Ohio ihre Simulationen mit physikalischen und chemischen Grundprinzipien 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 verwendet eine Art künstlicher Intelligenz namens maschinelles Lernen, um im Wesentlichen die gleichen Berechnungen viel schneller durchzuführen. Die Doktoranden Rajendra Thapa und Ugwumadu tauschten sich gegen die Leitung der anfänglichen Berechnungsarbeit aus.

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

Die Nicht-Sechs-Kohlenstoff-Ringe stellten in mehr als einer Hinsicht eine interessante Falte dar. Während Sechs-Kohlenstoff-Ringe flach sind, kräuseln sich fünf- und siebengliedrige Kohlenstoffringe, aber im entgegengesetzten Sinn von „positiver und negativer Krümmung“. Die Wissenschaftler hätten vielleicht erwartet, dass diese Falten die Bildung der Graphitschichten ruinieren würden. Aber Blätter bildeten sich trotzdem, möglicherweise weil Fünfecke und Siebenecke sich in den Simulationen die Waage hielten. Die Blätter waren technisch amorphes Graphit, weil sie nicht rein sechsringig waren. Aber auch hier bildeten sie Schichten.

In einer weiteren Reihe von Simulationen knüpfte Ugwumadu an seine Arbeit mit Thapa an, um eher Moleküle als Festkörper zu untersuchen. Die Bedingungen in diesen Sims führten dazu, dass sich die Blätter in sich selbst krümmen. Anstelle von Blättern bildeten sie verschachtelte amorphe Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) – eine Reihe von Röhren aus einer einzelnen Atomschicht, eine in der anderen. CNTs waren in letzter Zeit in der Materialwissenschaft heiß begehrt, da sie tatsächlich winzige Drähte sind, die verwendet werden können, um Elektrizität in unglaublich kleinen Maßstäben zu leiten. Andere vielversprechende Anwendungen von CNTs umfassen die Brennstoffzellenkatalyse, die Herstellung von Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien, die Abschirmung elektromagnetischer Interferenzen, biomedizinische Wissenschaften und Nano-Neurowissenschaften.

Ein wichtiger Aspekt der CNT-Arbeit war, 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 nutzen, um das Verhalten eines bestimmten CNT so abzustimmen, dass es genau den Anforderungen entspricht, die in einem neuen elektronischen Gerät benötigt werden.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in zwei Abhandlungen, eine davon über die Entstehung der amorphen Graphitschichten in der Zeitschrift Briefe zur körperlichen Überprüfung im Juni 2022 und eine über die CNTs in Physica-Status Solidi B im Dezember 2022. Eine andere, wie die fünf- und siebengliedrigen Ringe in die Bleche passen, ist im Druck in der Europäische Zeitschrift für Glaswissenschaft und -technologie.

Das Ohio-Team untersucht weiterhin die Umwandlung von Kohlenstoffatomen in Graphit und verwandte Materialien. Ein weiteres laufendes Projekt simuliert amorphe verschachtelte Fullerene, fußballförmige Strukturen, die von wissenschaftlichem Interesse sind, insbesondere in der Nano-Neurowissenschaft. Sie veröffentlichten im November 2022 auch eine Arbeit über die Fullerene in Kohlenstoff-Trends. Das Team untersucht auch die Verwendung der leistungsstarken Grafikverarbeitungseinheiten von Bridges-2, die möglicherweise ihre ML-basierten VAST-Berechnungen beschleunigen könnten, um kompliziertere Materialien wie reale Kohle für ihre Simulationen zugänglich zu machen.