Учёные нашли способ создания стабильных энергетических материалов на основе углекислого газа

С помощью вычислительных моделей исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса определили путь для смеси угарного газа и кислорода к образованию полимера, сохраняющего стабильность даже после снятия давления. Автор: Станимир Бонев.

Когда материалы сжимают, их атомы вынуждены принимать необычные конфигурации, которые в обычных условиях не существуют. Эти конфигурации часто мимолётны: когда давление снимают, атомы обычно возвращаются в стабильное низкоэнергетическое состояние. Лишь несколько очень специфических материалов, таких как алмаз, сохраняют свою высокотемпературную структуру после возвращения к комнатной температуре и атмосферному давлению.

Но закрепление этих атомных структур в обычных условиях может создать новые классы полезных материалов с широким спектром потенциальных применений. Один особенно интересный пример — энергетические материалы, которые полезны для ракетных топлив и взрывчатых веществ.

В исследовании, опубликованном в журнале Communications Chemistry, учёные из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) определили первый в своём роде полимер, эквивалентный углекислому газу, который можно получить из условий высокого давления.

«Полимерная форма углекислого газа хранит гораздо больше энергии, чем обычный CO₂, потому что её атомы заперты в плотной ковалентно связанной сети, — сказал учёный LLNL и автор работы Станимир Бонев. — Если такой материал можно получить и стабилизировать, он представляет собой материал с высокой плотностью энергии — то есть он может хранить и потенциально высвобождать большое количество энергии на единицу массы или объёма».

Команда объединила квантово-молекулярное моделирование с крупномасштабными моделями машинного обучения, чтобы предсказать пути образования полимера и понять его поведение как при высоком давлении, так и при его снятии. Вместе эти методы позволили исследователям изучить широкий диапазон условий давления и температуры контролируемым и систематическим образом, предоставив чёткий рецепт для будущих экспериментальных работ.

Прорыв произошёл, когда авторы сосредоточились на сжатии смеси угарного газа (CO) и кислорода, а не самого углекислого газа. Начало с молекулярной смеси позволяет превращениям происходить при более низких давлениях и открывает более гибкие пути реакции. Этот подход также способствует образованию аморфных твёрдых тел, которые лишены регулярной структуры кристаллов и могут быть более стабильными при снятии давления.

«Мы считаем, что эти аморфные структуры испытывают меньшее напряжение связей при снятии давления, что повышает их стабильность в обычных условиях, — сказал Бонев. — Это подчёркивает потенциал аморфных материалов — часто упускаемых из виду в пользу кристаллов — для обеспечения большей стабильности и полезных свойств».

С этой смесью исследователи определили путь синтеза, который начинается при давлении около 7 гигапаскалей — более чем на порядок ниже, чем более 100 гигапаскалей, ранее требовавшихся для образования полимерных материалов на основе углекислого газа.

Наряду с моделированием, показывающим, как создать материал, авторы также дают физическое объяснение, почему это работает. Ключ кроется в углерод-углеродных связях, которые легко образуются в смеси и способствуют формированию отчётливой и стабильной структуры, помогающей материалу оставаться целым при снятии давления.

Учёные надеются, что эта работа предоставит конкретную цель и практическую стратегию для будущих экспериментальных усилий. В более широком смысле, этот подход может быть применён к другим системам лёгких элементов, включающим углерод, кислород, азот или водород, потенциально ведущим к новым семействам восстанавливаемых энергетических и функциональных материалов.

Источник: Lawrence Livermore National Laboratory