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左图:此图显示了Michael Deem的预测沸石数据库的多孔结构,该数据库由硅(棕褐色)和氧(红色)原子组成右:Voronoi全息图描述了左侧所示结构的空腔这些空腔的大小和形状确定哪个分子将通过该结构,哪个分子将被吸收

彩色点显示结构中出现一定形状的次数研究人员继续寻找方法来过滤掉燃煤电厂产生的二氧化碳,然后再到达大气,一个通常被称为碳捕获的过程现在,劳伦斯伯克利国家实验室的科学家开发了一种计算工具,可以帮助研究人员对大量多孔材料数据库进行分类,以创纪录的速度识别有前景的碳捕获候选者大约75%的电力用于美国是由燃煤发电厂生产的,这些发电厂将二氧化碳(CO2)喷入大气中为了减少这种影响,许多研究人员正在寻找多孔材料来过滤这些植物在到达大气层之前产生的二氧化碳,这一过程通常被称为碳捕获

但识别这些材料说起来容易做起来难“有许多多孔物质 - 包括结晶多孔材料,如沸石和金属有机骨架 - 可用于捕获发电厂排放的二氧化碳,“劳伦斯伯克利国家实验室的科学家Maciej Haranczyk说道(伯克利实验室(Berkeley Lab)计算研究部门在单独的沸石类别中,Haranczyk指出,通过计算方法预测了大约200种已知材料和2500万种结构

这就是为什么Haranczyk及其同事已经开发出一种计算工具,可以帮助研究人员对大量多孔数据库进行分类

用于识别有希望的碳捕获候选物的材料 - 以及rd速度他们称之为Zeo ++通过使用Zeo ++,研究人员已经筛选了数百万种材料的数据库,并确定了一些可以胜过现有技术的工具

他指出,该工具不是模拟材料的每个原子,而是通过映射什么不存在:Zeo ++开发人员从左到右的材料中的空白:Berkeley Lab的计算研究部门Thomas Willems的Maciej Haranczyk,Richard Luis Martin和Chris Rycroft没有想到采取分子的眼睛视图多孔材料如沸石或金属有机物框架具有多种形状并具有多种孔径实际上,形状和孔径决定哪些分子被吸收到材料中以及哪些分子通过类似分子海绵,多孔材料也可以在一个循环中重复使用

捕获和释放例如,在碳捕获的情况下,一旦材料饱和并且不能吸收更多的二氧化碳,气体可以是xtracted,循环重复“了解所有这些因素如何有效地捕获碳是一个挑战,”理查德路易斯马丁说,他是Zeo ++开发团队的成员和伯克利实验室计算研究部门的博士后研究员“直到Zeo ++,那里对于分析如此大量的材料结构并确定是什么使材料成为优秀的碳捕集器而言,并不是一种简单的方法

“他指出,硅质沸石,例如,由硅和氧原子的相同四面体块组成,但几何这些嵌段的排列不同于一种沸石到下一种沸石,这种结构决定了二氧化碳或任何其他分子如何与多孔材料相互作用

在Zeo ++之前,科学家通常会基于单一特征来表征多孔结构,如它的最大孔隙或其空间总空间,然后根据这个单一的观察结果进行比较和分类“这种一维描述的问题在于,它没有告诉你任何关于像二氧化碳这样的分子如何在材料中移动的信息,”马丁说道

“为了确定最有效的吸收二氧化碳的材料,我们需要了解多孔从穿透分子的角度看结构“这正是Zeo ++通过映射原子之间的空隙来表征这些结构的原因 从每个多孔结构中所有原子的坐标数据库中提取,Zeo ++生成每个材料中空隙的3D图

这个3D网络允许研究人员查看原子之间的通道相交的位置以创建空腔这些空腔的大小和形状确定分子是否会通过系统或被吸收使用由伯克利实验室团队开发的名为Voronoi Holograms的工具,研究人员可以自动比较这些3D图以识别具有相似孔径和结构的材料“使用这种技术我们可以检查原子之间的路径,看看这些路径是如何连接起来创造一个更大的网络,“马丁说,由于研究人员已经知道原子在材料中的位置,这个工具可以相对快速地绘制这些空洞的通道,因为研究人员并没有处理所有的结构中的原子,但更简单地表示材料的空白空间,Zeo ++可以运行其分析比基于物理模型的典型模拟更快,计算能力更低对于他们的第一个项目,该团队分析了稻米大学教授Michael Deem和他的研究小组编制的数百万预测多孔材料结构的数据库,以确定哪个是最有效地捕获像二氧化碳这样的分子缩小现场的速度搜索大量材料以获得所需特征是一个并不是寻求碳捕获的独特问题事实上,制药行业在寻找新药方面面临着类似的挑战,使用信息学方法探索候选药物的大型数据库Haranczyk及其伯克利实验室的同事将这些行业概念与数学和计算算法方面的最新进展相结合,创造了Zeo ++

据领导能源前沿的Berend Smit说道美国清洁能源技术相关气体分离研究中心加州大学伯克利分校过去花费数周的时间来手工表征和比较仅仅20种材料的多孔结构和Zeo ++,研究人员可以分析整个数据库,其中包含数十万到数百万个多孔结构的信息

几天“Zeo ++允许我们做一些本来不可能实现的事情,”Smit说,他的小组正在开发用于识别吸收二氧化碳的纳米材料的实验室和计算方法除了Haranczyk和Martin之外,参与开发的其他伯克利实验室研究人员Zeo ++是Chris Rycroft和Thomas Willems Zeo ++可以从以下网址下载:wwwcarboncapturematerialsorg / Zeo ++来源:劳伦斯伯克利国家实验室图片:劳伦斯伯克利国家实验室

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