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Jul 19, 2023

オハイオ大学の PSC スーパーコンピューターによるシミュレーションが石炭を変換

最近、石炭は悪い評判を受けています。 気候科学者は、2100 年までに地球の平均気温が華氏 2 度から 10 度上昇すると予測しています。

最近、石炭は悪い評判を受けています。 気候科学者らは、2100年までに世界の平均気温が華氏2度から10度上昇すると予測している。気象パターン、作物の成長、海面の劇的な変化の可能性から、石炭などの炭素ベースの燃料の多用に疑問が投げかけられている。

しかし、そうである必要はありません。

車両に電気を供給することで、炭素排出量を直接削減できます。 この移行により、カーボンニュートラルなエネルギー源を使用して充電できるようになる可能性もあります。 驚くべきことに、各テスラ モデル S のリチウムイオン電池には約 100 ポンドのグラファイトが必要だということです。 そして、科学者たちは何世代にもわたって、石炭に十分な温度と十分な圧力を加えれば、少なくとも理論上は石炭を黒鉛に変えることができることを知っていました。

オハイオ大学のデビッド・ドラボルド氏と彼の物理学チームは、石炭がどのようにしてグラファイトのような貴重な物質に変換されるかを調査するために、コンピューター ソフトウェアで物質をシミュレーションすることにしました。 化学変換を仮想的に再現するために、彼らはピッツバーグ スーパーコンピューティング センター (PSC) の最新研究コンピューター Bridges-2 に注目しました。 Bridges-2 は PSC の主力スーパーコンピューターであり、国立科学財団から資金提供を受けています。

「この[仕事]が生まれた経緯は、ここに何人かのエンジニアがいて、石炭を使った[カーボンニュートラルに関する]素晴らしい仕事をしているからです。 明白な理由からそれを焼きたくないでしょう。 しかし、そこから建設資材、つまりグラファイトのような高価値の材料を作ることはできるでしょうか? ノンソと私は、材料からグラファイトを取り出すことができるかという質問に非常に興味があります。」

— デビッド・ドラボルド、オハイオ大学物理学の著名教授。

純粋なグラファイトは、6 つの炭素環で構成される一連のシートです。 芳香族結合と呼ばれる特殊な種類の化学結合がこれらの炭素を結合します。

芳香族結合では、パイ電子が環の上下に浮遊しています。 これらの「滑りやすい」電子雲により、シートが互いに滑りやすくなります。 鉛筆の「芯」（黒鉛の低級品）は、紙同士がずれて紙にくっついてしまうため、紙に跡が残ります。

芳香族結合には、電子技術において重要なもう 1 つの利点があります。 パイ電子はリングからリングへ、またシートからシートへ簡単に移動します。 これにより、グラファイトは金属ではないにもかかわらず、電気を通すことができます。 電池の正極であるアノードに最適な素材です。

それに比べて、石炭は化学的に厄介です。 グラファイト シートの厳密な 2 次元の性質とは異なり、3 次元で接続されています。 また、水素、酸素、窒素、硫黄、およびグラファイトの形成を妨げる可能性のあるその他の原子も含まれています。

研究を開始するために、Drabold のチームは、ランダムな位置にある炭素原子のみからなる単純化された「石炭」を作成しました。 この単純化された石炭を圧力と高温（約 3,000 ケルビン、または華氏 5,000 近く）にさらすことで、黒鉛への変換を研究する第一歩を踏み出すことができました。

「アモルファスグラファイト紙を押し出すには、多くの真剣な分析を行う必要がありました。 私たちが所有する他のシステムと比較して、Bridges は最も速く、最も正確です。 私たちの家庭用システムでは、160 個の原子をシミュレートするには約 2 週間かかります。 Bridge を使用すると、密度汎関数理論を使用して 6 ～ 7 日間で 400 個の原子を実行できます。」

— Chinonso Ugwumadu 氏、オハイオ大学の物理学博士課程の学生。

最初に、オハイオ州の科学者たちは、密度汎関数理論による基本的な物理的および化学的原理を使用してシミュレーションを実行しました。 この正確ではあるが計算量の多いアプローチでは、多くの並列計算が必要でした。これは、Bridges-2 の 30,000 個を超えるコンピューティング コアの強みです。 その後、英国のケンブリッジ大学とオックスフォード大学の共同研究者が設計した新しいソフトウェア ツール GAP (ガウス近似ポテンシャル) に計算を移行しました。 GAP は、機械学習と呼ばれる人工知能の一種を使用して、本質的に同じ計算をより迅速に実行します。 大学院生の Rajendra Thapa と Ugwumadu は、最初の計算作業を主導することを交換しました。