Ученые на шаг ближе к превращению угля в графит

Команда из Университета Огайо провела серию симуляций, показывающих, как уголь может быть преобразован в ценные и углеродно-нейтральные материалы, такие как графит и углеродные нанотрубки.

Используя систему Bridges-2 Питтсбургского суперкомпьютерного центра, исследователи смоделировали уголь и графит в компьютерном программном обеспечении и виртуально воссоздали преобразование угля в графит. Поколения ученых знают, что, по крайней мере, теоретически, можно превратить уголь в графит, если ископаемое топливо подвергается достаточному давлению при достаточно высокой температуре.

Чистый графит представляет собой серию листов, состоящих из шестиуглеродных колец. Особый тип химической связи, называемый «ароматической связью», удерживает эти углероды вместе.

В ароматических связях пи-электроны плавают над и под кольцами. Эти «скользкие» электронные облака заставляют листы легко скользить мимо друг друга. Карандаш «свинец» — низкосортная форма графита — оставляет след на бумаге, потому что листы соскальзывают друг с другом и прилипают к бумаге.

Ароматические связи имеют еще одно достоинство, важное в электронной технике. Пи-электроны легко перемещаются от кольца к кольцу и от листа к листу. Это заставляет графит проводить электричество, даже если это не металл.

Уголь, для сравнения, химически грязный. В отличие от строго двумерной природы графитового листа, он имеет соединения в трех измерениях. Он также содержит водород, кислород, азот, серу и другие атомы, которые могут нарушить образование графита.

Упрощенный уголь

Чтобы начать свои исследования, Дэвид Драболд и его команда создали упрощенный «уголь», который состоял только из атомов углерода в случайных положениях. Подвергая этот упрощенный уголь давлению и высокой температуре — около 3000 Кельвинов или почти 5000 по Фаренгейту — они могли бы сделать первый шаг в изучении его превращения в графит.

«Чтобы вытолкнуть аморфно-графитовую бумагу, нам нужно было провести много серьезного анализа», — сказал Чинонсо Угвумаду, докторант в группе Драбольда. «По сравнению с другими системами, которые у нас есть, Bridges является самым быстрым и точным. Наши домашние системы... Потребовалось около двух недель, чтобы смоделировать 160 атомов. С bridges мы можем запустить 400 атомов в течение шести-семи дней, используя функциональную теорию плотности».

Сначала ученые из Огайо провели моделирование, используя основные физические и химические принципы с помощью функциональной теории плотности. Этот точный, но ресурсоемкий подход требовал множества параллельных вычислений. Позже они перенесли свои вычисления на новый программный инструмент, GAP (потенциал приближения Гаусса), который использует машинное обучение для выполнения тех же вычислений по существу гораздо быстрее.

Их результаты оказались сложнее, чем ожидала команда. Листы действительно сформировались. Но атомы углерода не совсем развили простые шестиуглеродные кольца. Часть колец имела пять атомов углерода; у других их было семь.

Кольца без шести углерода представляли собой интересную морщину, во многих отношениях. В то время как шестиуглеродные кольца плоские, пяти-и семичленные углеродные кольца пукают, но в противоположных смыслах «положительной и отрицательной кривизны».

Ученые, возможно, ожидали, что эти шайбы испортят образование графитовых листов. Но листы образовались в любом случае, возможно, потому, что пятиугольники и семиугольники уравновешивали друг друга в симуляциях. Листы технически были аморфнымиграфитом, потому что они не были чисто шестикольцевыми. Но опять же, они образовали слои.

Углеродные нанотрубки

В другой серии симуляций Угвумаду продолжил свою работу с Раджендрой Тапой по изучению молекул, а не твердых тел. Условия в этих симах заставляли листы искривляться сами по себе. Вместо листов они образовали вложенные аморфные углеродные нанотрубки (УНТ) — серию одноатомнослойных трубок, одна внутри другой.

В последнее время УНТ были горячими в материаловедении, поскольку они, по сути, представляют собой крошечные провода, которые можно использовать для проведения электричества в невероятно малых масштабах. Другие многообещающие применения УНТ включают катализ топливных элементов, производство суперконденсаторов и литий-ионных батарей, экранирование электромагнитных помех, биомедицинские науки и наноневропауку.

Одним из важных аспектов работы CNT было то, что Угвумаду изучал, как аморфные морщины в стенках трубки влияют на движение электричества через структуру. В материаловедении каждая «ошибка» также является «особенностью» — инженеры могут использовать такие нарушения для настройки поведения данного УНТ в соответствии с точными требованиями, необходимыми в новом электронном устройстве.

Группа продолжает изучать превращение атомов углерода в графит и связанные с ним материалы.