Un nouveau modèle informatique prédit quelles éponges ultra-poreuses et fermes peuvent absorber les gaz à effet de serre.
Onze heures du soir, la date limite pour soumettre cet article approche impitoyablement. Dans ma hâte, je renverse ma tasse de café. Heureusement, il y a une éponge à portée de main. Café absorbé et économisé par ordinateur. Une catastrophe possible, évitée de justesse grâce à une simple éponge.
Et si nous devions fabriquer une éponge similaire maintenant pour éviter une catastrophe beaucoup plus importante – les effets du changement climatique, par exemple ? Des éponges ultra-poreuses et suffisamment fermes pour absorber les gaz à effet de serre tels que le CO2 absorber?
Ces dernières années, les chercheurs ont réussi à construire toute une gamme de telles éponges sous forme de poudre. Certains d'entre eux peuvent même être trouvés comme matériau d'absorption dans la litière pour chat ou dans votre assouplissant.
Cependant, nous rencontrons ici un problème récurrent. Pour former des matériaux spongieux utiles, il faut souvent comprimer ces poudres spongieuses poreuses. En raison des énormes pressions exercées au cours de ce processus, qui peuvent atteindre des milliers de fois la pression atmosphérique, les pores et les canaux de ces éponges s'effondrent souvent. De ce fait, le matériau ne peut plus adsorber les molécules et devient inutilisable.
Avec ce problème à l'esprit, j'ai conçu un modèle qui utilise des superordinateurs pour prédire la robustesse de ces minuscules éponges. Le modèle informatique, développé au Centre de modélisation moléculaire de l'Université de Gand, prédit la pression à laquelle un tel matériau s'effondre sans avoir à le construire expérimentalement au préalable. Cela nous permet de nous limiter à l'avenir à ne concevoir que les éponges les plus résistantes.
Cette méthode permet d'économiser du temps et des ressources, et facilite le développement de CO2 des éponges qui peuvent être utilisées contre le changement climatique, entre autres, un pas de plus.
Adsorbe les odeurs désagréables, purifie les gaz, décompose les armes chimiques, stocke l'hydrogène dans des réservoirs de carburant efficaces et transporte les médicaments dans tout le corps. Bien que ces applications semblent très différentes à première vue, l'idée centrale est toujours la même :adsorber les petites molécules le plus efficacement possible.
Pour une adsorption optimale, nous préférons les matériaux avec de nombreux pores et canaux. Plus préférablement, ces pores et canaux ont également à peu près la même taille que les molécules qui doivent s'y adsorber. De minuscules éponges, pour ainsi dire, avec des pores jusqu'à un million de fois plus fins que l'épaisseur d'un cheveu humain.
En raison de cette énorme quantité de pores fins, un gramme d'un tel matériau contient une surface interne qui peut dépasser la surface d'un terrain de football entier. Cela rend ces matériaux très appropriés comme éponges pour adsorber et stocker les gaz à effet de serre.
Si la grande surface interne est un grand avantage pour l'adsorption de petites molécules, cela signifie également que ces éponges sont souvent beaucoup moins solides que les matériaux qui ne contiennent pas de pores. Comparez-le à un jeu de Jenga :plus vous retirez de cubes de votre tour Jenga à l'origine robuste, plus vous créez de pores. Ce n'est alors qu'une question de temps avant que toute la structure ne s'effondre, même sous la pression atmosphérique.
Un gramme de poudre d'éponge peut facilement avoir une surface interne plus grande qu'un terrain de football
Il n'est donc pas surprenant qu'une telle poudre d'éponge ultra-poreuse, au réseau de pores beaucoup plus étendu, puisse facilement s'effondrer sous haute pression ! Cet effondrement limite la pression que nous pouvons appliquer lorsque nous comprimons ces poudres spongieuses en matériaux utilisables.
Le nouveau modèle informatique prédit maintenant exactement quelle est la pression maximale qu'une telle poudre éponge peut supporter. De cette façon, nous évitons de fabriquer plus longtemps des poudres d'éponge qui perdent leurs propriétés exceptionnelles lors du processus de compression.
Imaginez qu'on vous demande de vérifier la force de chaque cheveu sur votre tête. Une tâche impossible, n'est-ce pas ? Le même problème se pose si nous devions essayer de construire et de tester toutes les poudres d'éponge possibles, car il y a actuellement autant de poudres d'éponge possibles qu'il y a de poils sur le cuir chevelu d'une personne moyenne - un peu moins de cent mille.
Là aussi, le modèle informatique est particulièrement utile pour effectuer une première sélection. Le modèle prédit beaucoup plus rapidement lesquelles de ces poudres spongieuses sont trop fragiles et pour lesquelles il est donc inutile de les tester expérimentalement.
En utilisant ce modèle pour la première fois, nous avons pu déterminer rapidement pourquoi certaines poudres d'éponges s'effondrent très rapidement, alors que d'autres sont beaucoup plus résistantes. Outre les facteurs chimiques, qui déterminent la force des liaisons, le réseau de pores précis joue également un rôle important.
Par exemple, les matériaux à gros pores sont souvent moins stables que les matériaux à pores plus petits. De plus, nous pouvons renforcer les poudres d'éponge fragiles en fournissant des "barres de soutien" dans les pores. De cette façon, nous pouvons maintenant développer spécifiquement des poudres d'éponge fermes.
C'est bien beau, mais qu'est-ce qu'on peut faire avec ces éponges en poudre ? On l'a déjà évoqué plus haut :les possibilités sont quasiment infinies, tant que l'adsorption des petites molécules est centrale.
Bien que ces éponges puissent jouer un rôle important contre le changement climatique en stockant les gaz à effet de serre, elles peuvent également être utilisées, par exemple, dans les nouveaux réservoirs de carburant qui fonctionnent avec de l'hydrogène gazeux ou peuvent être utilisées pour stocker de l'énergie. Un potentiel énorme qui, grâce à ce modèle informatique, se rapproche un peu plus de la réalité.
Pour ses recherches sur les éponges ultraporeuses, Sven Rogge (physique appliquée, UGent / FWO) a été nominé pour la Flemish PhD Cup 2018. Vous pouvez voter ICI.
