在一个变暖的世界里,煤炭常常看起来是“坏人”。But we can do other things with coal besides burn it. A team at Ohio University used the Pittsburgh Supercomputing Center's Bridges-2 system to carry out a series of simulations showing how coal might eventually be converted to valuable - and carbon-neutral - materials like graphite and carbon nanotubes.
为什么它很重要
这些天煤矿得到了一些负面新闻。气候科学家预测全球平均气温上升2到10度到2100年。剧烈的气候模式变化的可能性,作物生长和海平面的变化对我们大量使用矿物燃料,如煤问题。
但这并不一定是这样。
“这个[工作]是这里有一些工程师…做一些伟大的工作(在碳中性)用煤,”David Drabold说,尊敬的俄亥俄大学的物理教授。“你不想烧它显而易见的原因;但你能让建筑材料,高价值的材料,如石墨-农索•恩瓦科沃(研究亚博网站下载生),我非常感兴趣的问题,我们可以得到石墨的东西——“
与电力驱动车辆可以直接减少碳排放。这种转变也可以允许我们使用碳中和能源收费。踢球是每个特斯拉型号S的锂离子电池需要约100磅石墨。几代人以来,科学家就已经知道,至少在理论上,你可以将煤炭转化为石墨如果你向其施加足够的压力在一个足够高的温度。
探索如何将煤炭转化为有价值的材料如石墨,大卫Drabold俄亥俄大学和他的团队决定在计算机软件模拟物质亚博网站下载。重新创建化学转化实际上,他们转向了在PSC Bridges-2高级研究计算机。匹兹堡Bridges-2是超级计算中心的旗舰超级计算机,由美国国家科学基金会资助。亚博老虎机网登录
PSC是如何帮助
纯石墨是一系列表六元环组成。一种特殊类型的化学键芳香债券持有这些碳原子结合在一起。
在芳香债券,π电子上下浮动的戒指。这些“滑”电子云相互轻易造成床单滑过去。铅笔“铅”——一种低级的石墨——在纸上留下印记,因为彼此的床单滑落和坚持。
芳香债券有另一个美德,重要的电子技术。π电子移动很容易在环圈和单表。这使得石墨导电,即使它不是金属。它的理想材料阳极电池的正极。
相比之下,煤炭是混乱的化学。与严格的二维的石墨板,连接在三维空间中。它还含有氢、氧、氮、硫和其他原子可能破坏石墨的形成。
开始学业,Drabold的团队创建了一个简化的“煤”仅由碳原子在随机位置。揭露这个简化的煤压力和高温——大约3000 k,或近5000华氏度——他们可能采取的第一步研究其石墨的转换。
“推动土状石墨纸我们需要做很多严肃的分析,“说Chinonso Ugwumadu,物理学博士生Drabold俄亥俄大学的小组。“与其他系统相比,桥梁是最快的和最精确的。我们的家园系统…大约需要两个星期来模拟160个原子。随着桥梁,我们可以运行400个原子在6到7天使用密度泛函理论。”
起初,俄亥俄州的科学家进行了模拟利用物理和化学的基本原则通过密度泛函理论。准确但calculation-heavy方法需要很多Bridges-2的并行计算,强度计算超过30000核。之后,他们他们的计算转向一个新的软件工具,设计的差距(高斯近似潜力)合作者在剑桥大学和牛津大学在英国。差距使用类型的人工智能机器学习执行相同的计算更加快速。研究生Rajendra Thapa和Ugwumadu交易主要最初的计算工作。
他们的结果是更复杂的和比团队简单的预期。床单是形式。但碳原子没有完全开发简单,六元环。戒指五个碳的一小部分;人有七个。
non-six-carbon环提出一个有趣的问题,以不止一种方式。而六元环是平的,五年和七碳环缩拢,但相反的感觉“积极和消极曲率”。The scientists might have expected these puckers to ruin the formation of the graphite sheets. But sheets formed anyway, possibly because pentagons and heptagons balanced each other in the simulations. The sheets were technically非晶石墨,因为他们不是纯粹的six-ringed。但同样,他们成立了层。
在另一个系列的模拟,Ugwumadu跟进他的工作与Thapa学习分子而不是固体。西姆斯的条件使床单曲线。而不是表,他们成立了嵌套的非晶态碳纳米管(碳纳米管)——一系列single-atomic-layer管,一个在另一个地方。碳纳米管热最近在材料科学,因为它们实际上小电亚博网站下载线,可用亚博老虎机网登录于导电在非常小的尺度上。其他碳纳米管的应用前景包括燃料电池催化、超级电容器和锂离子电池的生产,电磁干扰屏蔽、生物医学科学,nano-neuroscience。亚博老虎机网登录
问工作的一个重要方面是,Ugwumadu研究非晶态的皱纹管墙如何影响运动的电力通过结构。在材料亚博网站下载科学,每亚博老虎机网登录个“bug”也是一个特点:“工程师可以使用这样的违规行为来优化给定的问的行为以匹配的需求需要一个新的电子设备。
科学家们在两篇论文发表了他们的研究成果,在形成无定形石墨薄片的杂志物理评论快报2022年6月,和一个的碳纳米管自然史的地位相当于当时B2022年12月。另一个五年期和七人环如何适应表,是在新闻欧洲玻璃科技杂志》上亚博老虎机网登录。
俄亥俄州团队继续研究碳原子的转换石墨和相关材料。亚博网站下载另一个正在进行的项目是模拟非晶嵌套富勒烯soccer-ball-shaped结构科学的兴趣,特别是在nano-neuroscience。亚博老虎机网登录他们还在富勒烯在2022年11月发表了一篇论文。使用Bridges-2强大的团队也正在调查图形处理单元,这可能会加速他们的ML-based庞大的计算,使更复杂的材料像现实世界的煤可以访问他们的模拟。亚博网站下载
来源:https://www.ohio.edu/