为了减少气候变化带来的风险，NIST的科学家们已经开始发现新的材料，这种新材料可以从大气中吸收正在变暖的二氧化碳（CO2），这种技术被称为“直接空气捕获”
直接空气捕获材料已经存在，但它们要么成本太高，要么消耗太多能量，无法在全球范围内部署。NIST的科学家们正在使用计算机模拟来快速筛选从未合成过的假想材料，但这些材料可能具有使该技术具有可扩展性的适当物理性质。
NIST化学工程师Vincent Shen说：“筛选材料的传统方法是合成它们，然后在实验室进行测试，但这非常缓慢。”。“计算机模拟极大地加快了发现过程。”
沈和他的同事也在开发新的计算方法，这将进一步加快搜索速度。
“我们的目标是开发更有效的建模方法，从模拟中提取尽可能多的信息，”沈说。“通过共享这些方法，我们希望加快该领域所有研究人员的计算发现过程。”
直接捕获空气很重要，因为人类已经深刻地改变了地球的大气层鈥攐空气中三分之一的二氧化碳是人类活动造成的。“碳捕获是一种扭转部分排放的方法，有助于经济更快地实现碳中和的，”NIST化学家Pamela Chu说，她领导该机构最近发起的碳捕获倡议。
二氧化碳一旦被捕获，就可以用于制造塑料和碳纤维，或者与氢气结合生产合成燃料。这些用途需要能源，但如果采用可再生能源，则可以实现碳中和的。在可再生能源不可用的地方，可以将二氧化碳注入深层地质构造，目的是将其困在地下。
NIST科学家使用计算机模拟计算潜在捕获材料相对于大气中其他气体对CO2的亲和力。这使他们能够预测捕获材料的性能。模拟还生成了显示碳捕获在分子尺度上如何工作的图像。
多孔晶体材料显示出捕获CO2的特殊前景。这些材料由原子组成，原子排列成重复的三维图案，在它们之间留下空隙。在本概念图中，灰色条表示晶体材料，红色球体表示空隙。
电子在晶体结构中分布不均匀，产生一个电场，在某些地方有吸引力，在另一些地方有排斥力。该场的轮廓取决于晶体中原子的类型及其几何排列。如果所有的力都排得恰到好处，二氧化碳分子将被静电吸引到晶体的空隙中。
多孔晶体材料可以用各种类型的原子合成，原子可以被配置成许多不同的几何形状。这种排列实际上是无穷无尽的。计算机模拟使科学家能够探索广阔的可能性宇宙。
NIST化学工程师Daniel Siderius说：“我们可以想象从未存在过的材料，并预测它们的性能。”。
计算机模拟将物理规则与统计方法相结合，以预测CO2分子与捕获材料接触时的移动方向鈥攚它们是否会被吸引到空隙中，扩散到周围的空气中，或者只是在平衡状态下随机反弹。
大多数模拟方法预测系统在特定温度、压力和密度下的行为。但NIST的建模方法允许研究人员将数据外推到不同的条件。
“假设你已经估计了一个温度下的行为，但你想知道在不同温度下会发生什么。通常，你必须运行一个新的模拟，”Siderius说。“使用我们的工具，您可以外推到不同的温度，而无需运行新的模拟。这可以节省大量计算时间。”
目前，工业规模碳捕获的最佳工艺是通过化学溶液鼓泡空气。但捕获二氧化碳只是整个过程的一半。然后，必须将其从溶液中取出，以便将其储存起来，并再次使用该溶液。这需要将溶液加热到高温，这需要大量能量。
NIST的研究人员希望找到一种能够在正常温度和压力下从大气中提取二氧化碳的材料，但在热量或压力变化相对较小的情况下释放二氧化碳。理想的工艺将是低成本、经济和能源，并且不会产生有毒的最终产品。
“我们还没有找到理想的材料，”Siderius在谈到正在研究这个问题的更广泛的科学家群体时说。“但有很多潜在的材料，新的模拟方法可以帮助我们更快地找到它们。”