左：此图像显示了从迈克尔数据库中预测到可用于碳捕获的沸石材料的多孔结构，它由硅（棕褐色）和氧原子（红色）组成。
右：Voronoi全息图像显示了左边沸石材料的腔结构。这些空洞的大小和形状决定了什么分子可以通过，什么分子会被吸收。色点显示出特定形状原子在结构中出现的次数。
（图片由能源部/劳伦斯伯克利国家实验室提供）
科学日报（2012年3月1）——美国使用的电力能源约75％是由燃煤发电厂提供的，释放到空气中的的二氧化碳（CO2）导致全球气候变暖。为了减少这种影响，许多研究人员正在寻找多孔材料过滤掉电厂中产生的废气中的二氧化碳，然后在释放到空气中，这就是平常所说的“碳捕获”。但找到这些可用于碳捕获的材料是说起来容易，做起来难呀。
劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）计算研究部科学家马切伊•哈利肯说：“有许多种多孔物质——包括多孔晶体材料，如沸石，金属有机框架——可用于捕获电厂排放的二氧化碳。”
单就沸石，哈利肯指出，大约有200种已知的材料和大约250万种结构。这就是为什么哈利肯和同事们开发出一种计算工具，可以帮助研究人员对多孔材料庞大的数据库排序，以确定有前途的碳捕获候选材料——以创纪录的速度。他们称它为Zeo++。
通过使用Zeo++，研究人员通过对数以百万计的材料库进行刷选，现在已经选出几种可能应用现代新技术的材料。
他指出，该工具不是通过模拟材料的每个原子而是通过映射材料中的空隙来工作的。
从分子角度进行分析
多孔沸石或金属有机框架材料有各种形状和孔径范围。实际上是孔的形状或孔径来确定那些分子会被材料吸收，哪些会通过。
多孔材料分子就像海绵一样，也可以在捕获和释放过程中循环使用。例如，在碳捕获时，一旦材料已经饱和，不能吸收更多的二氧化碳气体，这时就可以把CO2提取出，材料还可以被重新利用。
Zeo+ +开发团队的成员，伯克利实验室的计算研究部博士后研究员理查德·路易斯·马丁说：“把所有这些因素结合起来来理解有效地碳捕获过程是一个挑战。在Zeo+ +以前，没有更简单的方法来分析这么大量的材料结构，并确定一个优秀的碳俘获材料的形成因素。”
他指出，拿硅质沸石为例，它们是由具有相同的硅原子和氧原子的四面体块组成，但这些块的几何排列不同，从一种沸石到另一种沸石，不同的结构决定了CO2或任何其他分子是如何与多孔材料不同交互。
在Zeo++之前，科学家通常会使用多孔结构的单一特性来描述它的特性，像其最大的孔径或孔的空间总量的大小，然后根据这种单一观察进行比较和分类。
马丁说：“使用一维描述的问题是，它不能告诉你关于二氧化碳分子如何动态地通过材料。要找出最有效的吸收二氧化碳的材料，我们需要分子渗透的角度来了解多孔结构。”
这正是Zeo++通过测绘它们的原子之间的空隙描述出的这些捕获分子的结构特征。Zeo++依据数据库中每个多孔结构的原子坐标，测绘生成每种材料的孔隙的三维图像。这种三维网络，使研究人员能够看到原子之间的通道是如何相交创建出孔洞的。这些孔洞的大小和形状决定了一个分子通过系统时是被吸收还是允许通过。
研究人员使用了Voronoi全息图，也是由伯克利实验室团队开发出的，它能自动比较这些三维图以定位出具有类似的孔隙大小和结构的材料。“使用这种技术，我们可以研究原子间的通路，并看看这些路径如何连接来创建一个更大的网络，”马丁说。
由于研究人员已经知道正在研究材料的原子的位置，该工具可以很快绘制出这些空通道。因为研究人员并不关注物质中的所有原子结构，只是研究材料空隙的简单代表，所以Zeo++可以比基于物理模型的典型分析来得更快而且消耗更少的计算功率。在他们第一个项目中，赖斯大学教授迈克尔和他的研究小组分析了数以百万计的数据库来预测多孔材料结构，以确定是最有效地捕集二氧化碳等分子的材料。
更快地缩小领域
从大量的材料中寻找所需特性的材料存在一个问题，材料不只是具有碳捕获的特性。事实上，医药行业面临着类似的挑战，在寻找新的药物时使用大量信息的方法，探索大型数据库的候选药物。哈利肯和他在伯克利实验室的同事运用这些行业的概念并结合最先进的数学和计算算法，创造出工具Zeo++。
据伯纳特•斯密特说，伯纳特•斯密特在美国加州大学伯克利分校领导着能源前沿研究中心中有关清洁能源技术研究，过去需要数周的时间手动分类和比较20种材料的多孔结构特性。使用Zeo++研究人员可以在几天内分析整个数据库，包含数以百万千万计的信息数以及多孔结构。
“Zeo++允许我们能够做到看起来不可能做到的事情，”施密特说，其研究小组正在开发实验和计算方法，来确定可以用于二氧化碳捕获的纳米材料。
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