Molekyylisimulaatioita ja nanoselluloosakuituja

Oak Ridge National Laboratoryn johtamat tutkijat käyttivät molekyylidynamiikan simulaatioita eksatason laskennalla, laboratoriotestejä ja analyyseja nopeuttaakseen energiaa säästävän menetelmän kehittämistä nanoselluloosakuitujen tuottamiseksi.

Tutkijatiimi tunnisti ja esitteli onnistuneesti uuden menetelmän kasvipohjaisen nanoselluloosamateriaalin prosessoimiseksi niin, että energian tarve vähensi huimat 21 %.

Menetelmä, jossa hyödynnetään vedessä olevaa natriumhydroksidin ja urean liuotinta, voi merkittävästi alentaa nanoselluloosakuidun tuotantokustannuksia. Tämä on vahva, kevyt biomateriaali, joka sopii mainiosti 3D-tulostusrakenteiden, kuten kestävien asuntojen ja ajoneuvokokoonpanojen, komposiitiksi.

Tulokset tukevat kiertobiotalouden kehitystä, jossa uusiutuvat, biohajoavat materiaalit korvaavat öljypohjaisia luonnonvaroja, keventävät hiilen perustuvaa taloutta ja vähentävät jätettä.

Nanoselluloosa on kasvien soluseinissä olevan luonnollisen polymeeriselluloosan muoto, joka on jopa kahdeksan kertaa terästä vahvempi.

Tiedemiehet tavoittelivat tehokkaampaa prosessia, jossa selluloosa erotetaan nanofibrilleiksi. Perinteisesti se on energiaintensiivinen mekaaninen menetelmä, joka tapahtuu vesipitoisessa massasuspensiossa.

Nyt tutkijat käyttivät tietokonemalleja, jotka jäljittelevät atomien ja molekyylien käyttäytymistä liuottimissa ja selluloosassa kun ne liikkuvat ja vuorovaikuttavat. Malli simuloi noin 0,6 miljoonaa atomia, mikä antoi tutkijoille ymmärryksen monimutkaisesta prosessista ilman, että laboratoriossa tarvittaisiin alustavaa, aikaa vievää työtä.

"Nämä simulaatiot, jotka tarkastelevat jokaista yksittäistä atomia ja niiden välisiä voimia, tarjoavat paitsi yksityiskohtaisen käsityksen siitä, toimiiko prosessi, mutta tarkalleen ottaen myös miksi se toimii", sanoo projektin johtaja Jeremy Smith.

Kun paras ehdokas oli tunnistettu, tutkijat jatkoivat pilottitason kokeita, jotka vahvistivat, että liuotinkäsittelyllä saavutettiin 21 prosentin energiansäästö verrattuna pelkän veden käyttöön.

Testattaessa saatuja kuituja havaittiin niillä olevan samanlainen mekaaninen lujuus ja muut toivottavat ominaisuudet kuin perinteisesti valmistetulla CNF:llä.

Aiheeseen liittyvä SM2ART-ohjelma keskittyy tulevaisuuden infrastruktuurilaajuisen tehtaan kehittämiseen, jossa kestäviä, hiiltä varastoivia biomateriaaleja käytetään rakentamaan kaikkea taloista, laivoista ja autoista puhtaaseen energiainfrastruktuuriin, kuten tuuliturbiinikomponentteihin, Ozcan sanoi.

"Luomalla vahvoja, edullisia ja hiilineutraaleja materiaaleja 3D-tulostimille antaa meille etulyöntiaseman asuntopulan kaltaisten ongelmien ratkaisemisessa", Smith sanoi.

Tiimi jatkaa lisäpolkujen etsimistä kustannustehokkaampaan nanoselluloosan tuotantoon, mukaan lukien uudet kuivausprosessit.

Aiheesta aiemmin:

Kertakäyttöiset tekoälyanturit terveyden seurantaan

Sellulla ja kuparilla parempia ja turvallisempia akkuja

Täysin kierrätettävää printtielektroniikkaa

Valokuitua selluloosasta