Dans un effort pour réduire les risques liés au changement climatique, les scientifiques du NIST ont entrepris de découvrir de nouveaux matériaux qui peuvent attirer le dioxyde de carbone (CO₂) qui réchauffe la planète ) hors de l'atmosphère, une technique appelée "capture directe de l'air".

Des matériaux de capture directe de l'air existent déjà, mais ils coûtent trop cher ou consomment trop d'énergie pour être déployés à l'échelle mondiale. Les scientifiques du NIST utilisent des simulations informatiques pour cribler rapidement des matériaux hypothétiques qui n'ont jamais été synthétisés, mais qui pourraient avoir les bonnes propriétés physiques pour rendre cette technologie évolutive.

"La manière traditionnelle de cribler les matériaux consiste à les synthétiser, puis à les tester en laboratoire, mais c'est très lent", a déclaré Vincent Shen, ingénieur chimiste au NIST. "Les simulations informatiques accélèrent énormément le processus de découverte."

Shen et ses collègues développent également de nouvelles méthodes de calcul qui accéléreront encore plus la recherche.

"Notre objectif est de développer des méthodes de modélisation plus efficaces qui extraient autant d'informations que possible d'une simulation", a déclaré Shen. "En partageant ces méthodes, nous espérons accélérer le processus de découverte informatique pour tous les chercheurs qui travaillent dans ce domaine."

La capture directe de l'air est importante car l'humanité a déjà profondément modifié l'atmosphère terrestre :un tiers de tout le CO₂ dans l'air sont arrivés là à cause de l'activité humaine. "La capture du carbone est un moyen d'inverser certaines de ces émissions et d'aider l'économie à devenir neutre en carbone plus rapidement", a déclaré la chimiste du NIST Pamela Chu, qui dirige l'initiative de capture du carbone récemment lancée par l'agence.

Une fois CO₂ est capté, il peut être utilisé pour fabriquer des plastiques et des fibres de carbone ou combiné avec de l'hydrogène pour produire des carburants synthétiques. Ces utilisations nécessitent de l'énergie mais peuvent être neutres en carbone si elles sont alimentées par des énergies renouvelables. Là où l'énergie renouvelable n'est pas disponible, le CO₂ peut être injecté dans des formations géologiques profondes dans le but de le maintenir piégé sous terre.

Les scientifiques du NIST utilisent des simulations informatiques qui calculent l'affinité potentielle d'un matériau de capture pour le CO₂ par rapport aux autres gaz de l'atmosphère. Cela leur permet de prédire les performances du matériel de capture. Les simulations génèrent également des images qui montrent comment fonctionne la capture du carbone à l'échelle moléculaire.

Les matériaux cristallins poreux sont particulièrement prometteurs pour capturer le CO₂ . Ces matériaux sont constitués d'atomes disposés selon un motif tridimensionnel répétitif qui laisse des vides entre eux. Dans cette illustration conceptuelle, les barres grises représentent un matériau cristallin et les sphères rouges sont les vides.

Les électrons sont répartis de manière inégale dans la structure cristalline, créant un champ électrique attractif à certains endroits et répulsif à d'autres. Les contours de ce champ dépendent des types d'atomes dans le cristal et de leur disposition géométrique. Si toutes les forces s'alignent correctement, CO₂ les molécules seront attirées dans les vides du cristal par attraction électrostatique.

Les matériaux cristallins poreux peuvent être synthétisés avec divers types d'atomes, et les atomes peuvent être configurés dans de nombreuses géométries différentes. Les permutations sont pratiquement infinies. Les simulations informatiques permettent aux scientifiques d'explorer ce vaste univers de possibilités.

"Nous pouvons imaginer des matériaux qui n'ont jamais existé et prédire leurs performances", a déclaré l'ingénieur chimiste du NIST, Daniel Siderius.

Les simulations informatiques combinent les règles de la physique avec des méthodes statistiques pour prédire quelle direction CO₂ les molécules se déplaceraient lorsqu'elles entreraient en contact avec un matériau de capture, qu'elles soient aspirées dans les vides, diffusées dans l'air ambiant ou simplement rebondissent au hasard dans un état d'équilibre.

La plupart des méthodes de simulation prédisent le comportement d'un système à une température, une pression et une densité spécifiées. Mais les méthodes de modélisation du NIST permettent aux chercheurs d'extrapoler ces données à différentes conditions.

"Disons que vous avez estimé le comportement à une température, mais que vous voulez savoir ce qui se passerait à une température différente. En règle générale, vous devrez exécuter une nouvelle simulation", a déclaré Siderius. "Avec nos outils, vous pouvez extrapoler à différentes températures sans avoir à lancer une nouvelle simulation. Cela peut faire gagner beaucoup de temps de calcul."

Actuellement, le procédé le plus performant pour la capture du carbone à l'échelle industrielle consiste à faire barboter de l'air dans une solution chimique. Mais capter le CO₂ n'est que la moitié du processus. Il doit ensuite être retiré de la solution afin qu'il puisse être stocké et que la solution puisse être réutilisée. Cela nécessite de chauffer la solution à une température élevée, ce qui consomme beaucoup d'énergie.

Les chercheurs du NIST espèrent trouver un matériau qui extraira le CO₂ de l'atmosphère à des températures et pressions normales, mais le libèrent en réponse à des changements relativement faibles de chaleur ou de pression. Le processus idéal sera peu coûteux, tant sur le plan financier qu'énergétique, et ne produira pas de produits finaux toxiques.

"Nous n'avons pas encore trouvé les matériaux idéaux", a déclaré Siderius, parlant de la communauté plus large de scientifiques qui travaillent sur ce problème. "Mais il existe de nombreux matériaux potentiels, et de nouvelles méthodes de simulation peuvent nous aider à les trouver plus rapidement." + Explorer plus loin

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