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(Noticias de Nanowerk) En un esfuerzo por reducir los riesgos del cambio climático, los científicos del NIST se han propuesto descubrir nuevos materiales que reduzcan el dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera, una técnica llamada Direct Air Capture.
Ya existen materiales de captura de aire directo, pero cuestan demasiado dinero o consumen demasiada energía para ser utilizados a nivel mundial. Los científicos del NIST están utilizando simulaciones por computadora para seleccionar rápidamente materiales hipotéticos que nunca se han sintetizado pero que pueden tener las propiedades físicas adecuadas para hacer que esta tecnología sea escalable.
«La forma tradicional de seleccionar materiales es sintetizarlos y luego probarlos en el laboratorio, pero eso es muy lento», dijo Vincent Shen, ingeniero químico del NIST. «Las simulaciones por computadora aceleran enormemente el proceso de descubrimiento».
Shen y sus colegas también están desarrollando nuevos métodos computacionales que acelerarán aún más la búsqueda.
«Nuestro objetivo es desarrollar métodos de modelado más eficientes que extraigan la mayor cantidad de información posible de una simulación», dijo Shen. “Al compartir estos métodos, esperamos acelerar el proceso de descubrimiento computacional para todos los investigadores que trabajan en este campo. ”
La captura aérea directa es importante porque la humanidad ya ha alterado profundamente la atmósfera de la Tierra: un tercio de todo el CO2.2 en el aire llegó allí a través de actividades humanas. «La captura de carbono es una forma de revertir algunas de estas emisiones y ayudar a que la economía se vuelva neutral en carbono más rápido», dijo la química del NIST Pamela Chu, quien dirige la iniciativa de captura de carbono lanzada recientemente por la agencia.
una vez CO2 si se captura, puede usarse para fabricar plásticos y fibras de carbono, o combinarse con hidrógeno para fabricar combustibles sintéticos. Estas aplicaciones requieren energía, pero pueden ser neutras en carbono si funcionan con energía renovable. Donde la energía renovable no está disponible, el CO2 puede inyectarse en formaciones geológicas profundas para mantenerlo atrapado bajo tierra.
Los científicos del NIST usan simulaciones por computadora que calculan la afinidad de un material de captura potencial para el CO2 en relación con otros gases en la atmósfera. Esto les permite predecir qué tan bien funcionará el material de captura. Las simulaciones también generan imágenes que muestran cómo funciona la captura de carbono a nivel molecular.
Los materiales cristalinos porosos son particularmente prometedores para la captura de CO2. Estos materiales están formados por átomos dispuestos en un patrón tridimensional repetitivo que deja espacios entre ellos. En esta representación conceptual, las barras grises representan un material cristalino y las esferas rojas son los vacíos.
Los electrones se distribuyen de manera desigual dentro de la estructura cristalina, creando un campo eléctrico que es atractivo en algunos lugares y repulsivo en otros. Los contornos de este campo dependen del tipo de átomos en el cristal y su disposición geométrica. Cuando todas las fuerzas están alineadas correctamente, CO2 Las moléculas son atraídas hacia las cavidades del cristal por atracción electrostática.
Los materiales cristalinos porosos se pueden sintetizar con diferentes tipos de átomos, y los átomos se pueden configurar en muchas geometrías diferentes. Las permutaciones son prácticamente infinitas. Las simulaciones por computadora permiten a los científicos explorar este vasto universo de posibilidades.
«Podemos imaginar materiales que nunca existieron y predecir cómo se comportarían», dijo el ingeniero químico del NIST, Daniel Siderius.
Las simulaciones por computadora combinan las reglas de la física con métodos estadísticos para predecir en qué dirección CO2 Las moléculas se moverían cuando entraran en contacto con un material de captura, ya sea que fueran atraídas hacia las cavidades, difundiéndose en el aire circundante o simplemente rebotando al azar en un estado de equilibrio.
La mayoría de los métodos de simulación predicen el comportamiento de un sistema a una determinada temperatura, presión y densidad. Pero los métodos de modelado del NIST permiten a los investigadores extrapolar estos datos a otras condiciones.
“Supongamos que ha estimado el comportamiento a una temperatura pero quiere saber qué sucedería a una temperatura diferente. Normalmente tendría que ejecutar una nueva simulación”, dijo Siderius. “Con nuestras herramientas, puede extrapolar a otras temperaturas sin tener que ejecutar una nueva simulación. Eso puede ahorrar mucho tiempo de computación”.
Actualmente, el proceso más poderoso para la captura de carbono a escala industrial funciona soplando aire a través de una solución química. Pero interceptar el CO2 es sólo la mitad de la batalla. A continuación, debe eliminarse de la solución para que pueda almacenarse y la solución pueda utilizarse de nuevo. Para hacer esto, la solución debe calentarse a una temperatura alta, lo que consume mucha energía.
Los investigadores del NIST esperan encontrar un material que extraiga CO2 de la atmósfera a temperaturas y presiones normales, pero lo liberan en respuesta a cambios relativamente pequeños en el calor o la presión. El proceso ideal es económicamente económico y energéticamente y no produce productos finales tóxicos.
«Todavía no hemos encontrado los materiales ideales», dijo Siderius, hablando de la comunidad más amplia de científicos que trabajan en este problema. «Pero existen muchos materiales potenciales, y los nuevos métodos de simulación pueden ayudarnos a encontrarlos más rápido».
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