Em um esforço para reduzir os riscos das mudanças climáticas, os cientistas do NIST decidiram descobrir novos materiais que podem atrair o dióxido de carbono que aquece o planeta (CO₂ ) para fora da atmosfera, uma técnica chamada "captura direta do ar".
Já existem materiais de captura direta de ar, mas custam muito dinheiro ou consomem muita energia para serem implantados em escala global. Os cientistas do NIST estão usando simulações de computador para rastrear rapidamente materiais hipotéticos que nunca foram sintetizados, mas que podem ter as propriedades físicas certas para tornar essa tecnologia escalável.

"A maneira tradicional de triagem de materiais é sintetizá-los e testá-los em laboratório, mas isso é muito lento", disse o engenheiro químico do NIST, Vincent Shen. "As simulações de computador aceleram imensamente o processo de descoberta."

Shen e seus colegas também estão desenvolvendo novos métodos computacionais que vão acelerar ainda mais a busca.

"Nosso objetivo é desenvolver métodos de modelagem mais eficientes que extraiam o máximo de informações possível de uma simulação", disse Shen. "Ao compartilhar esses métodos, esperamos acelerar o processo de descoberta computacional para todos os pesquisadores que trabalham neste campo."

A captura direta do ar é importante porque a humanidade já alterou profundamente a atmosfera da Terra - um terço de todo o CO₂ no ar chegou lá como resultado da atividade humana. "A captura de carbono é uma maneira de reverter algumas dessas emissões e ajudar a economia a se tornar neutra em carbono mais rapidamente", disse a química do NIST Pamela Chu, que lidera a iniciativa de captura de carbono lançada recentemente pela agência.

Uma vez CO₂ é capturado, pode ser usado para fabricar plásticos e fibras de carbono ou combinado com hidrogênio para produzir combustíveis sintéticos. Esses usos requerem energia, mas podem ser neutros em carbono se alimentados por energias renováveis. Onde a energia renovável não estiver disponível, o CO₂ pode ser injetado em formações geológicas profundas com o objetivo de mantê-lo preso no subsolo.

Os cientistas do NIST usam simulações de computador que calculam a afinidade de um material de captura potencial para CO₂ em relação a outros gases na atmosfera. Isso permite que eles prevejam o desempenho do material de captura. As simulações também geram imagens que mostram como funciona a captura de carbono em escala molecular.

Materiais cristalinos porosos mostram uma promessa especial para capturar CO₂ . Esses materiais são compostos de átomos dispostos em um padrão tridimensional repetitivo que deixa vazios entre eles. Nesta ilustração conceitual, as barras cinzas representam um material cristalino e as esferas vermelhas são os vazios.

Os elétrons são distribuídos de forma desigual dentro da estrutura cristalina, criando um campo elétrico que é atraente em alguns lugares e repulsivo em outros. Os contornos desse campo dependem dos tipos de átomos no cristal e seu arranjo geométrico. Se todas as forças se alinharem corretamente, CO₂ moléculas serão atraídas para os vazios do cristal por atração eletrostática.

Materiais cristalinos porosos podem ser sintetizados com vários tipos de átomos, e os átomos podem ser configurados em muitas geometrias diferentes. As permutações são virtualmente infinitas. As simulações de computador permitem que os cientistas explorem esse vasto universo de possibilidades.

“Podemos imaginar materiais que nunca existiram e prever como eles funcionariam”, disse o engenheiro químico do NIST, Daniel Siderius.

As simulações de computador combinam as regras da física com métodos estatísticos para prever qual direção CO₂ as moléculas se moveriam quando entrarem em contato com um material de captura - sejam elas atraídas para os vazios, difundidas no ar circundante ou simplesmente saltando aleatoriamente em um estado de equilíbrio.

A maioria dos métodos de simulação prevê o comportamento de um sistema a uma temperatura, pressão e densidade especificadas. Mas os métodos de modelagem do NIST permitem que os pesquisadores extrapolem esses dados para diferentes condições.

"Digamos que você estimou o comportamento em uma temperatura, mas quer saber o que aconteceria em uma temperatura diferente. Normalmente, você teria que executar uma nova simulação", disse Siderius. "Com nossas ferramentas, você pode extrapolar para diferentes temperaturas sem precisar executar uma nova simulação. Isso pode economizar muito tempo de computação."

Atualmente, o processo de melhor desempenho para captura de carbono em escala industrial funciona borbulhando ar através de uma solução química. Mas capturar o CO₂ é apenas metade do processo. Em seguida, ele deve ser removido da solução para que possa ser armazenado e para que a solução possa ser usada novamente. Isso requer o aquecimento da solução a uma temperatura alta, o que consome muita energia.

Os pesquisadores do NIST esperam encontrar um material que extraia CO₂ da atmosfera em temperaturas e pressões normais, mas a libera em resposta a mudanças relativamente pequenas no calor ou na pressão. O processo ideal será de baixo custo, tanto financeiro quanto energético, e não produzirá produtos finais tóxicos.

"Ainda não encontramos os materiais ideais", disse Siderius, falando da comunidade mais ampla de cientistas que estão trabalhando nesse problema. "Mas há muitos materiais em potencial por aí, e novos métodos de simulação podem nos ajudar a encontrá-los mais rapidamente." + Explorar mais

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