為了降低氣候變化帶來的風險，NIST的科學家們已經著手發(fā)現(xiàn)可以從大氣中吸收導致地球變暖的二氧化碳(CO2)的新材料，這種技術稱為“直接空氣捕獲”。

直接空氣捕獲材料已經存在，但它們要么花費太多錢，要么消耗太多能量，無法在全球范圍內部署。NIST的科學家們正在使用計算機模擬來快速篩選從未合成但可能具有使這項技術可擴展的正確物理特性的假設材料。

“篩選材料的傳統(tǒng)方法是合成它們，然后在實驗室中進行測試，但這進展非常緩慢，”NIST化學工程師VincentShen說。“計算機模擬極大地加快了發(fā)現(xiàn)過程。”

沉和他的同事們也在開發(fā)新的計算方法，以進一步加速搜索。

“我們的目標是開發(fā)更有效的建模方法，盡可能多地從模擬中提取信息，”沉說。“通過分享這些方法，我們希望加快所有在該領域工作的研究人員的計算發(fā)現(xiàn)過程。”

直接空氣捕獲很重要，因為人類已經深刻地改變了地球的大氣層——空氣中三分之一的CO2是人類活動的結果。NIST化學家PamelaChu說：“碳捕獲是扭轉其中一些排放并幫助經濟更快實現(xiàn)碳中和的一種方式，”該機構最近發(fā)起的碳捕獲計劃負責人PamelaChu說。

一旦CO2被捕獲，它就可以用來制造塑料和碳纖維，或者與氫氣結合來生產合成燃料。這些用途需要能源，但如果由可再生能源供電，則可以實現(xiàn)碳中和。在沒有可再生能源的情況下，可以將CO2注入深層地質構造中，以保持其被困在地下。

NIST科學家使用計算機模擬計算潛在捕獲材料相對于大氣中其他氣體對CO2的親和力。這使他們能夠預測捕獲材料的性能。模擬還生成圖像，顯示碳捕獲如何在分子尺度上起作用。

多孔結晶材料顯示出捕獲CO2的特殊前景。這些材料由以重復的三維圖案排列的原子組成，在它們之間留下空隙。在這個概念圖中，灰色條表示結晶材料，紅色球體是空隙。

電子在晶體結構中分布不均，產生了在某些地方吸引而在其他地方排斥的電場。該場的輪廓取決于晶體中原子的類型及其幾何排列。如果所有的力排列得恰到好處，CO2分子將通過靜電引力被吸入晶體的空隙中。

多孔晶體材料可以用各種類型的原子合成，原子可以配置成許多不同的幾何形狀。排列幾乎是無窮無盡的。計算機模擬使科學家能夠探索廣闊的可能性世界。

“我們可以想象從未存在過的材料并預測它們的性能，”NIST化學工程師DanielSiderius說。

計算機模擬將物理規(guī)則與統(tǒng)計方法相結合，以預測當CO2分子與捕獲材料接觸時它們會向哪個方向移動——它們是否會被吸入空隙、擴散到周圍的空氣中，或者只是四處彈跳隨機處于平衡狀態(tài)。

大多數(shù)模擬方法預測系統(tǒng)在指定溫度、壓力和密度下的行為。但是NIST的建模方法允許研究人員將這些數(shù)據外推到不同的條件。

“假設你已經估計了一個溫度下的行為，但你想知道在不同溫度下會發(fā)生什么。通常，你必須運行一個新的模擬，”Siderius說。“使用我們的工具，您可以推斷不同的溫度，而無需運行新的模擬。這可以節(jié)省大量的計算時間。”

目前，工業(yè)規(guī)模碳捕獲性能最佳的工藝是通過化學溶液使空氣鼓泡。但捕獲CO2只是過程的一半。然后必須將其從溶液中取出，以便將其儲存并再次使用該溶液。這需要將溶液加熱到高溫，這需要大量的能量。

NIST研究人員希望找到一種能夠在常溫常壓下從大氣中提取CO2的材料，但會在相對較小的熱量或壓力變化時釋放它。理想的過程在經濟和能源方面都是低成本的，并且不會產生有毒的最終產品。

“我們還沒有找到理想的材料，”Siderius談到正在研究這個問題的更廣泛的科學家社區(qū)時說。“但是那里有很多潛在的材料，新的模擬方法可以幫助我們更快地找到它們。”