随着钻探者在美国各地开采大量天然气，科学家们正在研究更有效地捕获天然气的方法。
天然气主要由甲烷组成，但也含有少量的二氧化碳、硫化氢和氮气。能源公司正在寻找一种廉价的方法来分离这些气体，以产生纯净的甲烷流。开发商还希望控制甲烷泄漏，因为甲烷是一种特别有效的温室气体。
但甲烷是一种羞涩的分子，与周围环境的相互作用不多，不像二氧化碳等更合群的同伴。创造一种能够从气流中诱导出甲烷，同时让其他一切通过的物质是很棘手的，因此研究人员正在使用计算机模拟来测试数千种材料，以找出一些可能胜任这项工作的材料。
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劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家阿米特什·麦提说：“我们正在寻找将游离甲烷浓缩和利用的方法。” “这是一个非常有趣的化学挑战。”
麦提与人合著了一篇论文，该论文上周发表在自然通讯杂志上，研究了液体溶剂和固体结构如何从稀释到中等浓度的来源捕获甲烷。
在这种情况下，固体结构是沸石，一种常用作吸附剂的多孔矿物。研究人员模拟了甲烷分子如何在纳米尺度上在这些结构内部相互作用，伯克利加州大学化学与化工工程教授、另一位合著者贝伦德·史密斯表示，这“几乎就像分子的飞行模拟器”。
史密斯解释说，研究人员针对图形处理器优化了模拟，图形处理器是计算机芯片，与传统处理器相比，它限制了较少的指令，但可以同时执行更多的计算。通过这种方法，科学家筛选了87,000种沸石结构，以了解它们过滤甲烷的效果，从而将潜在的结构范围缩小到少数几种。
材料的孔隙结构根据甲烷浓度的不同而发挥不同的作用。在低浓度下，该材料必须比氮气对甲烷具有更高的亲和力。这里的目标是将甲烷的浓度提高到5%，这时气体变得易燃。
在较高浓度下，甲烷可以与其他甲烷分子相互作用，从而提高材料吸收气体的效率。将气体浓度提高到60%的范围内，使其更容易液化和运输。精炼厂可以重复该循环并重复使用沸石材料，以产生浓度更高的甲烷流。
另一方面，液体过滤器产生的效果甚微。“我们从这项工作中发现，液体不太适合捕获甲烷，”麦提说。
对于研究人员来说，下一步是在现实世界中制造和测试这些材料，以查看这些沸石的过滤性能是否与他们的计算相符。史密斯补充说，模拟过程可能对识别捕获二氧化碳的材料也很有用。
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