En un esfuerzo por reducir los riesgos del cambio climático, los científicos del NIST se han propuesto descubrir nuevos materiales que pueden extraer dióxido de carbono (CO₂) que calienta el planeta. ) fuera de la atmósfera, una técnica llamada "captura directa de aire".

Ya existen materiales de captura directa de aire, pero cuestan demasiado dinero o consumen demasiada energía para implementarse a escala global. Los científicos del NIST están utilizando simulaciones por computadora para seleccionar rápidamente materiales hipotéticos que nunca se han sintetizado pero que podrían 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 esos métodos, esperamos acelerar el proceso de descubrimiento computacional para todos los investigadores que trabajan en este campo".

La captura directa de aire es importante porque la humanidad ya ha alterado profundamente la atmósfera de la Tierra:un tercio de todo el CO₂ en el aire llegó allí como resultado de la actividad humana. "La captura de carbono es una forma de revertir algunas de esas emisiones y ayudar a que la economía se vuelva neutral en carbono más rápidamente", dijo Pamela Chu, química del NIST, quien dirige la iniciativa de captura de carbono lanzada recientemente por la agencia.

Una vez CO₂ se captura, puede usarse para fabricar plásticos y fibras de carbono o combinarse con hidrógeno para producir combustibles sintéticos. Estos usos requieren energía, pero pueden ser neutrales en carbono si funcionan con energías renovables. Donde no hay energía renovable disponible, el CO₂ se puede inyectar en formaciones geológicas profundas con el objetivo de mantenerlo atrapado bajo tierra.

Los científicos del NIST usan simulaciones por computadora que calculan la afinidad de un material de captura potencial por el CO₂ en relación con otros gases en la atmósfera. Eso 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 escala molecular.

Los materiales cristalinos porosos muestran una promesa particular para capturar CO₂ . Estos materiales están formados por átomos dispuestos en un patrón tridimensional repetitivo que deja vacíos entre ellos. En esta ilustración 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 ese campo dependen de los tipos de átomos en el cristal y su disposición geométrica. Si todas las fuerzas se alinean correctamente, CO₂ las moléculas serán atraídas hacia los vacíos del cristal por atracción electrostática.

Los materiales cristalinos porosos se pueden sintetizar con varios 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 ese vasto universo de posibilidades.

"Podemos imaginar materiales que nunca han existido y predecir cómo se desempeñarían", 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 los vacíos, difundidas 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 temperatura, presión y densidad específicas. Pero los métodos de modelado del NIST permiten a los investigadores extrapolar esos datos a diferentes condiciones.

"Digamos que ha estimado el comportamiento a una temperatura, pero quiere saber qué sucedería a una temperatura diferente. Por lo general, tendría que ejecutar una nueva simulación", dijo Siderius. "Con nuestras herramientas, puede extrapolar a diferentes temperaturas sin tener que ejecutar una nueva simulación. Eso puede ahorrar mucho tiempo de cálculo".

Actualmente, el proceso de mejor rendimiento para la captura de carbono a escala industrial funciona haciendo burbujear aire a través de una solución química. Pero capturar el CO₂ es solo la mitad del proceso. Luego, debe eliminarse de la solución para que pueda almacenarse y la solución pueda usarse nuevamente. Esto requiere calentar la solución 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 será de bajo costo, tanto desde el punto de vista financiero como energético, y no producirá productos finales tóxicos.

"Todavía no hemos dado con los materiales ideales", dijo Siderius, hablando de la comunidad más amplia de científicos que están trabajando en este problema. "Pero hay muchos materiales potenciales por ahí, y los nuevos métodos de simulación pueden ayudarnos a encontrarlos más rápidamente". + Explora más

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