Nel tentativo di ridurre i rischi derivanti dai cambiamenti climatici, gli scienziati del NIST hanno deciso di scoprire nuovi materiali in grado di assorbire l'anidride carbonica (CO₂) che riscalda il pianeta ) dall'atmosfera, una tecnica chiamata "cattura diretta dell'aria".

I materiali per la cattura diretta dell'aria esistono già, ma costano troppo o consumano troppa energia per essere impiegati su scala globale. Gli scienziati del NIST stanno usando simulazioni al computer per esaminare rapidamente materiali ipotetici che non sono mai stati sintetizzati ma che potrebbero avere le giuste proprietà fisiche per rendere questa tecnologia scalabile.

"Il modo tradizionale di schermare i materiali è sintetizzarli, quindi testarli in laboratorio, ma è molto lento", ha affermato l'ingegnere chimico del NIST Vincent Shen. "Le simulazioni al computer accelerano enormemente il processo di scoperta."

Shen e i suoi colleghi stanno anche sviluppando nuovi metodi computazionali che accelereranno ulteriormente la ricerca.

"Il nostro obiettivo è sviluppare metodi di modellazione più efficienti che estraggono quante più informazioni possibili da una simulazione", ha affermato Shen. "Condividendo questi metodi, speriamo di accelerare il processo di scoperta computazionale per tutti i ricercatori che lavorano in questo campo."

La cattura diretta dell'aria è importante perché l'umanità ha già profondamente alterato l'atmosfera terrestre:un terzo di tutta la CO₂ nell'aria è arrivato lì a causa dell'attività umana. "La cattura del carbonio è un modo per invertire alcune di queste emissioni e aiutare l'economia a diventare carbon neutral più rapidamente", ha affermato Pamela Chu, chimica del NIST, che guida l'iniziativa di cattura del carbonio lanciata di recente dall'agenzia.

Una volta CO₂ viene catturato, può essere utilizzato per produrre plastica e fibre di carbonio o combinato con idrogeno per produrre combustibili sintetici. Questi usi richiedono energia ma possono essere a emissioni zero se alimentati da fonti rinnovabili. Dove l'energia rinnovabile non è disponibile, il CO₂ può essere iniettato in formazioni geologiche profonde con l'obiettivo di mantenerlo intrappolato nel sottosuolo.

Gli scienziati del NIST utilizzano simulazioni al computer che calcolano l'affinità di un potenziale materiale di cattura per la CO₂ rispetto ad altri gas nell'atmosfera. Ciò consente loro di prevedere le prestazioni del materiale di acquisizione. Le simulazioni generano anche immagini che mostrano come funziona la cattura del carbonio su scala molecolare.

I materiali cristallini porosi mostrano una particolare promessa per la cattura di CO₂ . Questi materiali sono costituiti da atomi disposti in uno schema tridimensionale ripetuto che lascia dei vuoti tra di loro. In questa illustrazione concettuale, le barre grigie rappresentano un materiale cristallino e le sfere rosse sono i vuoti.

Gli elettroni sono distribuiti in modo non uniforme all'interno della struttura cristallina, creando un campo elettrico attraente in alcuni punti e ripugnante in altri. I contorni di quel campo dipendono dai tipi di atomi nel cristallo e dalla loro disposizione geometrica. Se tutte le forze si allineano correttamente, CO₂ le molecole saranno attirate nei vuoti del cristallo dall'attrazione elettrostatica.

I materiali cristallini porosi possono essere sintetizzati con vari tipi di atomi e gli atomi possono essere configurati in molte geometrie diverse. Le permutazioni sono praticamente infinite. Le simulazioni al computer consentono agli scienziati di esplorare quel vasto universo di possibilità.

"Possiamo immaginare materiali che non sono mai esistiti e prevedere come si sarebbero comportati", ha affermato l'ingegnere chimico del NIST Daniel Siderius.

Le simulazioni al computer combinano le regole della fisica con metodi statistici per prevedere in quale direzione CO₂ le molecole si muoverebbero quando entrano in contatto con un materiale di cattura, sia che vengano attirate nei vuoti, che si diffondano nell'aria circostante o semplicemente rimbalzino casualmente in uno stato di equilibrio.

La maggior parte dei metodi di simulazione prevede il comportamento di un sistema a una temperatura, pressione e densità specificate. Ma i metodi di modellazione del NIST consentono ai ricercatori di estrapolare quei dati in condizioni diverse.

"Diciamo che hai stimato il comportamento a una temperatura, ma vuoi sapere cosa accadrebbe a una temperatura diversa. In genere, dovresti eseguire una nuova simulazione", ha detto Siderius. "Con i nostri strumenti puoi estrapolare temperature diverse senza dover eseguire una nuova simulazione. Ciò può far risparmiare molto tempo di calcolo."

Attualmente, il processo con le migliori prestazioni per la cattura del carbonio su scala industriale funziona facendo gorgogliare aria attraverso una soluzione chimica. Ma catturare il CO₂ è solo metà del processo. Quindi deve essere rimosso dalla soluzione in modo che possa essere conservato e quindi la soluzione possa essere riutilizzata. Ciò richiede il riscaldamento della soluzione a una temperatura elevata, che richiede molta energia.

I ricercatori del NIST sperano di trovare un materiale che estragga CO₂ dall'atmosfera a temperature e pressioni normali, ma lo rilasciano in risposta a variazioni relativamente piccole di calore o pressione. Il processo ideale sarà a basso costo, sia dal punto di vista finanziario che energetico, e non produrrà prodotti finali tossici.

"Non abbiamo ancora trovato i materiali ideali", ha detto Siderius, parlando della più ampia comunità di scienziati che stanno lavorando su questo problema. "Ma ci sono molti potenziali materiali là fuori e nuovi metodi di simulazione possono aiutarci a trovarli più rapidamente". + Esplora ulteriormente

Il nuovo materiale può "catturare inquinanti tossici dall'aria"