Dans un monde qui se réchauffe, le charbon peut souvent sembler le « méchant ». Mais nous pouvons faire autre chose avec le charbon que le brûler. Une équipe de l’Université de l’Ohio a utilisé le système Bridges-2 du Pittsburgh Supercomputing Center pour effectuer une série de simulations montrant comment le charbon pourrait éventuellement être converti en matériaux précieux et neutres en carbone comme le graphite et les nanotubes de carbone.
Pourquoi c’est important
Le charbon a mauvaise presse ces temps-ci. Les climatologues prédisent une augmentation des températures mondiales moyennes comprises entre 2 et 10 degrés Fahrenheit d’ici l’an 2100. La possibilité de changements drastiques des conditions météorologiques, de la croissance des cultures et du niveau de la mer remet en question notre utilisation intensive de combustibles à base de carbone comme le charbon.
Mais il ne doit pas en être ainsi.
« La façon dont ça [work] est arrivé, il y a des ingénieurs ici… qui font du bon travail [on carbon-neutral] des choses avec du charbon », a déclaré David Drabold, éminent professeur de physique à l’Université de l’Ohio. « Vous ne voulez pas le brûler pour des raisons évidentes ; mais pouvez-vous en faire des matériaux de construction, des matériaux de grande valeur, comme le graphite ? [Graduate student] Nonso et moi sommes vraiment intéressés par la question, est-ce qu’on peut retirer du graphite de l’étoffe ? »
Propulser nos véhicules à l’électricité peut réduire directement les émissions de carbone. Ce changement pourrait également nous permettre de les recharger à l’aide de sources d’énergie neutres en carbone. Le plus important est que les batteries lithium-ion de chaque modèle Tesla S nécessitent environ 100 livres de graphite. Et les scientifiques savent depuis des générations que, du moins en théorie, vous pouvez convertir le charbon en graphite si vous le mettez sous une pression suffisante à une température suffisamment élevée.
Pour explorer comment le charbon peut être converti en matériaux précieux comme le graphite, David Drabold et son équipe de l’Université de l’Ohio ont décidé de simuler les substances dans un logiciel informatique. Pour recréer virtuellement la conversion chimique, ils se sont tournés vers l’ordinateur de recherche avancée Bridges-2 du PSC. Bridges-2 est le supercalculateur phare du Pittsburgh Supercomputing Center.
Comment la CFP a aidé
Le graphite pur est une série de feuilles composées d’anneaux à six carbones. Un type spécial de liaison chimique appelée liaisons aromatiques maintient ces carbones ensemble.
Dans les liaisons aromatiques, les électrons pi flottent au-dessus et au-dessous des anneaux. Ces nuages d’électrons « glissants » font que les feuilles glissent facilement les unes sur les autres. La «mine» de crayon – une forme de graphite de qualité inférieure – laisse une marque sur le papier car les feuilles glissent les unes sur les autres et collent au papier.
Les liaisons aromatiques ont une autre vertu, importante en technologie électronique. Les électrons pi se déplacent facilement d’un anneau à l’autre et d’une feuille à l’autre. Cela rend le graphite conducteur d’électricité, même s’il n’est pas un métal. C’est le matériau idéal pour une anode, le pôle positif d’une batterie.
Le charbon, en comparaison, est désordonné chimiquement. Contrairement à la nature strictement bidimensionnelle d’une feuille de graphite, elle présente des connexions en trois dimensions. Il contient également de l’hydrogène, de l’oxygène, de l’azote, du soufre et d’autres atomes susceptibles de perturber la formation de graphite.
Pour commencer leurs études, l’équipe de Drabold a créé un « charbon » simplifié composé uniquement d’atomes de carbone dans des positions aléatoires. En exposant ce charbon simplifié à une pression et à une température élevée – environ 3 000 Kelvin, soit près de 5 000 Fahrenheit – ils pourraient faire un premier pas dans l’étude de sa conversion en graphite.
« Pour sortir le papier de graphite amorphe, nous avons dû faire beaucoup d’analyses sérieuses », a déclaré Chinonso Ugwumadu, doctorant en physique à l’Université de l’Ohio dans le groupe de Drabold. « Comparé à d’autres systèmes que nous avons, Bridges est le plus rapide et le plus précis. Nos systèmes domestiques… prennent environ deux semaines pour simuler 160 atomes. Avec Bridges, nous pouvons faire fonctionner 400 atomes sur six à sept jours en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité. »
Au début, les scientifiques de l’Ohio ont effectué leurs simulations en utilisant des principes physiques et chimiques de base via la théorie fonctionnelle de la densité. Cette approche précise mais lourde en calculs a nécessité de nombreux calculs parallèles, une force des plus de 30 000 cœurs de calcul de Bridges-2. Plus tard, ils ont déplacé leurs calculs vers un nouvel outil logiciel, GAP (potentiel d’approximation gaussien) conçu par des collaborateurs de l’Université de Cambridge et de l’Université d’Oxford en Angleterre. GAP utilise un type d’intelligence artificielle appelé apprentissage automatique pour effectuer essentiellement les mêmes calculs beaucoup plus rapidement. Les étudiants diplômés Rajendra Thapa et Ugwumadu ont échangé sur la direction du travail de calcul initial.
Leurs résultats étaient plus compliqués et plus simples que ce à quoi l’équipe s’était attendue. Les feuilles se sont formées. Mais les atomes de carbone n’ont pas entièrement développé des cycles simples à six carbones. Une fraction des anneaux avait cinq carbones; d’autres en avaient sept.
Les anneaux sans six carbones posaient une ride intéressante, à plus d’un titre. Alors que les anneaux à six carbones sont plats, les anneaux de carbone à cinq et sept chaînons plissent, mais dans des sens opposés de «courbure positive et négative». Les scientifiques auraient pu s’attendre à ce que ces plissements ruinent la formation des feuilles de graphite. Mais des feuilles se sont quand même formées, peut-être parce que les pentagones et les heptagones se sont équilibrés dans les simulations. Les feuilles étaient techniquement en graphite amorphe car elles n’étaient pas purement à six anneaux. Mais encore une fois, ils ont formé des couches.
Dans une autre série de simulations, Ugwumadu a poursuivi son travail avec Thapa pour étudier les molécules plutôt que les solides. Les conditions dans ces sims ont amené les feuilles à se courber sur elles-mêmes. Au lieu de feuilles, ils ont formé des nanotubes de carbone amorphes (NTC) imbriqués, une série de tubes à une seule couche atomique, les uns dans les autres. Les CNT ont fait fureur dans la science des matériaux ces derniers temps, car ce sont en fait de minuscules fils qui peuvent être utilisés pour conduire l’électricité à des échelles incroyablement petites. D’autres applications prometteuses des NTC incluent la catalyse des piles à combustible, la production de supercondensateurs et de batteries lithium-ion, le blindage contre les interférences électromagnétiques, les sciences biomédicales et les nano-neurosciences.
Une facette importante du travail de CNT était qu’Ugwumadu a étudié comment les rides amorphes dans les parois du tube affectent le mouvement de l’électricité à travers la structure. En science des matériaux, chaque « bogue » est également une « fonctionnalité » – les ingénieurs peuvent être en mesure d’utiliser de telles irrégularités pour régler le comportement d’un CNT donné afin qu’il corresponde aux exigences exactes requises dans un nouvel appareil électronique.
Les scientifiques ont publié leurs résultats dans deux articles, l’un sur la formation des feuillets de graphite amorphe dans la revue Lettres d’examen physique en juin 2022, et une sur les CNT en Statut physique Solidi B en décembre 2022. Un autre, sur la façon dont les anneaux à cinq et sept membres s’intègrent dans les feuilles, est sous presse dans le Journal européen des sciences et technologies du verre.
L’équipe de l’Ohio continue d’étudier la conversion des atomes de carbone en graphite et en matériaux connexes. Un autre projet en cours consiste à simuler des fullerènes imbriqués amorphes, des structures en forme de ballon de football qui présentent un intérêt scientifique, en particulier dans les nano-neurosciences. Ils ont également publié un article sur les fullerènes en novembre 2022 dans Tendances carbone. L’équipe étudie également l’utilisation des puissantes unités de traitement graphique de Bridges-2, qui pourraient potentiellement accélérer leurs calculs VAST basés sur ML, pour rendre des matériaux plus complexes comme le charbon du monde réel accessibles à leurs simulations.
Plus d’information:
R. Thapa et al, Simulation ab initio du graphite amorphe, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.236402
Chinonso Ugwumadu et al, Formation de nanotubes à parois multiples de carbone amorphe à partir de configurations initiales aléatoires, état physique solidi (b) (2022). DOI : 10.1002/pssb.202200527
C. Ugwumadu et al, Simulation de fullerènes multi-coquilles à l’aide du potentiel d’approximation gaussien d’apprentissage automatique, Tendances carbone (2022). DOI : 10.1016/j.cartre.2022.100239