I ett försök att minska riskerna från klimatförändringar har NIST-forskare gett sig ut på att upptäcka nya material som kan dra upp planetvärmande koldioxid (CO₂ ) ur atmosfären, en teknik som kallas "direkt luftinfångning."

Direkta luftinfångningsmaterial finns redan, men de kostar antingen för mycket pengar eller förbrukar för mycket energi för att kunna användas på global skala. NIST-forskare använder datorsimuleringar för att snabbt screena hypotetiska material som aldrig har syntetiserats men som kanske har precis rätt fysiska egenskaper för att göra denna teknik skalbar.

"Det traditionella sättet att screena material är att syntetisera dem och sedan testa dem i labbet, men det går väldigt långsamt", säger NIST kemiingenjör Vincent Shen. "Datorsimuleringar påskyndar upptäcktsprocessen oerhört."

Shen och hans kollegor utvecklar också nya beräkningsmetoder som kommer att påskynda sökningen ännu mer.

"Vårt mål är att utveckla effektivare modelleringsmetoder som extraherar så mycket information ur en simulering som möjligt," sa Shen. "Genom att dela dessa metoder hoppas vi kunna påskynda den beräkningsbaserade upptäcktsprocessen för alla forskare som arbetar inom detta område."

Direkt luftfångst är viktigt eftersom mänskligheten redan har förändrat jordens atmosfär på djupet – en tredjedel av all CO₂ i luften kom dit som ett resultat av mänsklig aktivitet. "Kolavskiljning är ett sätt att vända en del av dessa utsläpp och hjälpa ekonomin att bli koldioxidneutral snabbare", säger NIST-kemist Pamela Chu, som leder byråns nyligen lanserade initiativ för koldioxidavskiljning.

En gång CO₂ fångas kan den användas för att tillverka plast och kolfibrer eller kombineras med väte för att producera syntetiska bränslen. Dessa användningar kräver energi men kan vara koldioxidneutrala om de drivs av förnybara energikällor. Där förnybar energi inte är tillgänglig, CO₂ kan injiceras i djupa geologiska formationer med målet att hålla den instängd under jorden.

NIST-forskare använder datorsimuleringar som beräknar ett potentiellt fångstmaterials affinitet för CO₂ i förhållande till andra gaser i atmosfären. Det gör att de kan förutsäga hur bra fångstmaterialet kommer att prestera. Simuleringarna genererar också bilder som visar hur kolavskiljning fungerar i molekylär skala.

Porösa kristallina material visar särskilt lovande för att fånga CO₂ . Dessa material består av atomer arrangerade i ett upprepande tredimensionellt mönster som lämnar tomrum mellan dem. I denna konceptuella illustration representerar de grå staplarna ett kristallint material och de röda sfärerna är tomrummen.

Elektroner är ojämnt fördelade i kristallstrukturen, vilket skapar ett elektriskt fält som är attraktivt på vissa ställen och frånstötande på andra. Konturerna av det fältet beror på typerna av atomer i kristallen och deras geometriska arrangemang. Om alla krafter räcker rätt, CO₂ molekyler kommer att dras in i kristallens tomrum genom elektrostatisk attraktion.

Porösa kristallina material kan syntetiseras med olika typer av atomer, och atomerna kan konfigureras till många olika geometrier. Permutationerna är praktiskt taget oändliga. Datorsimuleringar gör det möjligt för forskare att utforska det stora universum av möjligheter.

"Vi kan föreställa oss material som aldrig har funnits och förutsäga hur de skulle prestera", säger NIST kemiingenjör Daniel Siderius.

Datorsimuleringarna kombinerar fysikens regler med statistiska metoder för att förutsäga vilken riktning CO₂ molekyler skulle röra sig när de kommer i kontakt med ett infångningsmaterial – oavsett om de skulle dras in i tomrummen, diffundera ut i den omgivande luften eller bara studsa runt slumpmässigt i ett tillstånd av jämvikt.

De flesta simuleringsmetoder förutsäger beteendet hos ett system vid en specificerad temperatur, tryck och densitet. Men modelleringsmetoder från NIST tillåter forskare att extrapolera dessa data till olika förhållanden.

"Säg att du har uppskattat beteendet vid en temperatur, men du vill veta vad som skulle hända vid en annan temperatur. Vanligtvis måste du köra en ny simulering," sa Siderius. "Med våra verktyg kan du extrapolera till olika temperaturer utan att behöva köra en ny simulering. Det kan spara mycket datortid."

För närvarande fungerar den bäst presterande processen för kolavskiljning i industriell skala genom att bubbla luft genom en kemisk lösning. Men att fånga CO₂ är bara halva processen. Den måste sedan avlägsnas från lösningen så att den kan förvaras och så att lösningen kan användas igen. Detta kräver att lösningen värms upp till en hög temperatur, vilket tar mycket energi.

NIST-forskarna hoppas kunna hitta ett material som kommer att utvinna CO₂ från atmosfären vid normala temperaturer och tryck men frigör det som svar på relativt små förändringar i värme eller tryck. Den ideala processen kommer att vara låg kostnad, både ekonomiskt och energimässigt, och inte producera giftiga slutprodukter.

"Vi har inte hittat det ideala materialet ännu," sa Siderius och talade om det bredare samhället av forskare som arbetar med detta problem. "Men det finns många potentiella material där ute, och nya simuleringsmetoder kan hjälpa oss att hitta dem snabbare." + Utforska vidare

Nytt material kan "fånga upp giftiga föroreningar från luften"