隨著鑽探者在美國各地開採大量天然氣，科學家們正在研究更有效地捕獲天然氣的方法。
天然氣主要由甲烷組成，但也含有少量的二氧化碳、硫化氫和氮氣。能源公司正在尋找一種廉價的方法來分離這些氣體，以產生純淨的甲烷流。開發商還希望控制甲烷洩漏，因為甲烷是一種特別有效的溫室氣體。
但甲烷是一種羞澀的分子，與周圍環境的相互作用不多，不像二氧化碳等更合群的同伴。創造一種能夠從氣流中誘匯出甲烷，同時讓其他一切透過的物質是很棘手的，因此研究人員正在使用計算機模擬來測試數千種材料，以找出一些可能勝任這項工作的材料。
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勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的物理學家阿米特什·麥提說：“我們正在尋找將遊離甲烷濃縮和利用的方法。” “這是一個非常有趣的化學挑戰。”
麥提與人合著了一篇論文，該論文上週發表在自然通訊雜誌上，研究了液體溶劑和固體結構如何從稀釋到中等濃度的來源捕獲甲烷。
在這種情況下，固體結構是沸石，一種常用作吸附劑的多孔礦物。研究人員模擬了甲烷分子如何在奈米尺度上在這些結構內部相互作用，伯克利加州大學化學與化工工程教授、另一位合著者貝倫德·史密斯表示，這“幾乎就像分子的飛行模擬器”。
史密斯解釋說，研究人員針對圖形處理器優化了模擬，圖形處理器是計算機晶片，與傳統處理器相比，它限制了較少的指令，但可以同時執行更多的計算。透過這種方法，科學家篩選了87,000種沸石結構，以瞭解它們過濾甲烷的效果，從而將潛在的結構範圍縮小到少數幾種。
材料的孔隙結構根據甲烷濃度的不同而發揮不同的作用。在低濃度下，該材料必須比氮氣對甲烷具有更高的親和力。這裡的目標是將甲烷的濃度提高到5%，這時氣體變得易燃。
在較高濃度下，甲烷可以與其他甲烷分子相互作用，從而提高材料吸收氣體的效率。將氣體濃度提高到60%的範圍內，使其更容易液化和運輸。精煉廠可以重複該迴圈並重復使用沸石材料，以產生濃度更高的甲烷流。
另一方面，液體過濾器產生的效果甚微。“我們從這項工作中發現，液體不太適合捕獲甲烷，”麥提說。
對於研究人員來說，下一步是在現實世界中製造和測試這些材料，以檢視這些沸石的過濾效能是否與他們的計算相符。史密斯補充說，模擬過程可能對識別捕獲二氧化碳的材料也很有用。
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