Des simulations de l’Université de l’Ohio sur le supercalculateur PSC transforment le charbon

Le charbon a mauvaise presse ces jours-ci. Les climatologues prédisent une augmentation des températures moyennes mondiales comprise entre 2 et 10 degrés Fahrenheit d’ici 2100. La possibilité de changements drastiques dans les conditions météorologiques, la croissance des cultures et le niveau de la mer remet en question notre utilisation intensive de combustibles à base de carbone comme le charbon.

Mais il n’est pas nécessaire qu’il en soit ainsi.

Alimenter nos véhicules en électricité peut réduire directement les émissions de carbone. Ce changement pourrait également nous permettre de les recharger en utilisant des sources d’énergie neutres en carbone. Le plus intéressant, c'est que les batteries lithium-ion de chaque Tesla Model S nécessitent environ 100 livres de graphite. Et les scientifiques savent depuis des générations que, du moins en théorie, on peut convertir le charbon en graphite si on le soumet à une pression suffisante et à une température suffisamment élevée.

Pour explorer comment le charbon peut être converti en matériaux précieux comme le graphite, David Drabold et son équipe de physique de l'Université de l'Ohio ont décidé de simuler ces substances dans un logiciel informatique. Pour recréer virtuellement la conversion chimique, ils se sont tournés vers l’ordinateur de recherche avancé Bridges-2 du Pittsburgh Supercomputing Center (PSC). Bridges-2 est le supercalculateur phare de la PSC, financé par la National Science Foundation.

« La façon dont ce [travail] a été réalisé est qu'il y a des ingénieurs ici… qui font un excellent travail [sur des produits neutres en carbone] avec le charbon. Vous ne voulez pas le brûler pour des raisons évidentes ; mais peut-on en faire des matériaux de construction, des matériaux de grande valeur, comme le graphite ? Nonso et moi sommes vraiment intéressés par la question : pouvons-nous en extraire du graphite ?

— David Drabold, professeur distingué de physique à l'Université de l'Ohio.

Le graphite pur est une série de feuilles constituées d'anneaux à six carbones. Un type spécial de liaison chimique appelée liaison aromatique maintient ces carbones ensemble.

Dans les liaisons aromatiques, les électrons pi flottent au-dessus et au-dessous des anneaux. Ces nuages ​​d’électrons « glissants » font glisser facilement les feuilles les unes sur les autres. La « mine » du crayon – une forme de graphite de faible qualité – laisse une marque sur le papier car les feuilles glissent les unes sur les autres et collent au papier.

Les liaisons aromatiques ont une autre vertu, importante en technologie électronique. Les électrons pi se déplacent facilement d’un anneau à l’autre et d’une feuille à l’autre. Cela permet au graphite de conduire l'électricité, même s'il ne s'agit pas d'un métal. C'est le matériau idéal pour une anode, le pôle positif d'une batterie.

Le charbon, en comparaison, est chimiquement salissant. Contrairement à la nature strictement bidimensionnelle d’une feuille de graphite, celle-ci présente des connexions en trois dimensions. Il contient également de l’hydrogène, de l’oxygène, de l’azote, du soufre et d’autres atomes susceptibles de perturber la formation du graphite.

Pour commencer leurs études, l'équipe de Drabold a créé un « charbon » simplifié composé uniquement d'atomes de carbone placés dans des positions aléatoires. En exposant ce charbon simplifié à une pression et à une température élevée – environ 3 000 Kelvin, soit près de 5 000 degrés Fahrenheit – ils pourraient faire un premier pas dans l’étude de sa conversion en graphite.

« Pour sortir le papier graphite amorphe, nous avons dû procéder à de nombreuses analyses sérieuses. Comparé aux autres systèmes dont nous disposons, Bridges est le plus rapide et le plus précis. Nos systèmes domestiques… prennent environ deux semaines pour simuler 160 atomes. Avec Bridges, nous pouvons analyser 400 atomes en six à sept jours en utilisant la théorie fonctionnelle de la densité.

— Chinonso Ugwumadu, doctorant en physique à l'Université de l'Ohio.

Dans un premier temps, les scientifiques de l’Ohio ont effectué leurs simulations en utilisant des principes physiques et chimiques de base via la théorie fonctionnelle de la densité. Cette approche précise mais lourde en calculs nécessitait de nombreux calculs parallèles – une force des plus de 30 000 cœurs de calcul de Bridges-2. Plus tard, ils ont transféré leurs calculs vers un nouvel outil logiciel, GAP (Potentiel d'approximation gaussienne), conçu par des collaborateurs de l'Université de Cambridge et de l'Université d'Oxford en Angleterre. GAP utilise un type d’intelligence artificielle appelé apprentissage automatique pour effectuer essentiellement les mêmes calculs beaucoup plus rapidement. Les étudiants diplômés Rajendra Thapa et Ugwumadu ont choisi de diriger le travail informatique initial.