Un equipo dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía identificó y demostró con éxito un nuevo método para procesar materiales de origen vegetal llamado nanocelulosa que redujo los requisitos de energía en un 21 por ciento. El enfoque se exploró mediante simulaciones moleculares ejecutadas en las supercomputadoras del laboratorio, seguidas de pruebas piloto y análisis.
Este método, que aprovecha el hidróxido de sodio y los disolventes de urea en agua, puede reducir significativamente los costes de producción de fibras nanocelulósicas, un biomaterial resistente y ligero ideal para la impresión 3D de estructuras como viviendas y vehículos sostenibles. Los hallazgos respaldan el desarrollo de una bioeconomía circular en la que los materiales renovables y biodegradables reemplacen los recursos derivados del petróleo, descarbonizando la economía y reduciendo los desechos.
Colegas del Centro de Desarrollo de Procesos de ORNL, la Universidad de Tennessee, Knoxville y la Universidad de Maine colaboraron en el proyecto, cuyo objetivo es encontrar una forma más eficiente de producir materiales altamente deseables. La nanocelulosa es una forma de celulosa polimérica natural que se encuentra en las paredes celulares de las plantas y que es ocho veces más resistente que el acero.
Los científicos buscaron una fibrilación más eficiente: el proceso de separar la celulosa en nanofibrillas, tradicionalmente un proceso mecánico de alta presión y que consume mucha energía y que ocurre en suspensiones acuosas de pulpa. Los investigadores probaron ocho disolventes candidatos para determinar cuál serviría como mejor pretratamiento para la celulosa. Utilizaron modelos informáticos que simulaban el comportamiento de átomos y moléculas en disolventes y celulosa mientras se movían e interactuaban. El enfoque simuló alrededor de 0,6 millones de átomos, lo que brindó a los científicos una comprensión de procesos complejos sin requerir un trabajo físico preliminar que requiere mucho tiempo en el laboratorio.
Las simulaciones desarrolladas por investigadores del Centro de Biofísica Molecular de UT-ORNL, o CMB, y la División de Ciencias Químicas de ORNL se ejecutaron en el Sistema de Computación Frontier Exascale, la supercomputadora para ciencia abierta más rápida del mundo. Frontier es parte de Oak Ridge Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL.
“Estas simulaciones, que analizan átomos individuales y las fuerzas entre ellos, no solo brindan información detallada sobre cómo ocurre un proceso”, dijo el líder del proyecto Jeremy Smith, director de CMB y presidente del gobernador de UT-ORNL, sino también por qué funciona. .
Una vez que se identificó al mejor candidato, los científicos continuaron con experimentos a escala piloto que confirmaron que el pretratamiento con solventes resultó en un ahorro de energía del 21 por ciento en comparación con el uso de agua sola, como se describe en. Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
Con el disolvente ganador, los investigadores estimaron el potencial de ahorro de electricidad de las nanofibrillas de celulosa, o CNF, en aproximadamente 777 kilovatios-hora por tonelada métrica, que es aproximadamente la cantidad necesaria para alimentar una casa durante un mes. Las pruebas de las fibras resultantes en el Centro de instalaciones para usuarios de ciencia de materiales nanofásicos de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL y en U-Maine encontraron una resistencia mecánica similar y otras propiedades deseables en comparación con el CNF producido convencionalmente.
“Nos centramos en el proceso de separación y secado porque es el paso que consume más energía en la fabricación de fibras nanocelulósicas”, dijo Monojoy Goswami del Grupo de Carbono y Compuestos de ORNL. “Utilizando estas simulaciones de dinámica molecular y nuestra informática de alto rendimiento en Frontier, pudimos hacer rápidamente lo que nos habría llevado años de experimentos de prueba y error”.
Mezcla adecuada de materiales y fabricación.
“Cuando combinamos nuestra experiencia en computación, ciencia de materiales y fabricación y herramientas de nanociencia en ORNL con nuestro conocimiento de productos forestales en la Universidad de Maine, podemos eliminar parte del juego de adivinanzas de la ciencia y desarrollar más experimentos. ” dicho. Soydan Ozcan, líder del Grupo de Tecnologías de Fabricación Sostenible de ORNL.
El proyecto cuenta con el apoyo de la Oficina de Tecnologías de Fabricación y Materiales Avanzados de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, o AMMTO, y una asociación entre ORNL y U-Maine a través de la Hub & Spoke Sustainable Materials & Manufacturing Pro Alliance para Rechnew Technogram. o SM2ART.
Özkan dijo que el programa SM2ART se centra en el desarrollo de la infraestructura a escala industrial del futuro, donde se utilizan biomateriales sostenibles que almacenan carbono en todo, desde hogares, barcos y automóviles hasta núcleos de energía, como componentes de turbinas eólicas, para limpiar la estructura. .
“La creación de materiales resistentes, asequibles y neutros en carbono para impresoras 3D nos da una ventaja a la hora de resolver problemas como la escasez de hábitat”, afirmó Smith.
Por lo general, se necesitan seis meses para construir una casa utilizando métodos tradicionales. Pero con la combinación adecuada de materiales y fabricación aditiva, la producción y el montaje de componentes de viviendas modulares duraderos podrían llevar sólo uno o dos días, añadieron los científicos.
El equipo continúa explorando vías adicionales para una producción de nanocelulosa más rentable, incluidos nuevos procesos de secado. Se espera que las investigaciones posteriores también utilicen las simulaciones para predecir combinaciones óptimas de nanocelulosa y otros polímeros para sistemas de fabricación avanzados, como los desarrollados y refinados en el Centro de demostración de fabricación del DOE, o MDF, en ORNL. MDF, con el apoyo de AMMTO, es un consorcio nacional de colaboradores que trabajan con ORNL para innovar, inspirar y catalizar la transformación de la fabricación estadounidense.
Otros científicos del proyecto Solventes incluyen a Shihsin Liu, Shalini Rakmani, Mohan Maude, Yan Yu y Daria Worrill del Centro de Biofísica Molecular de UT-ORNL. Katie Copenhaver, Meghan Lim, Kai Li y Jihua Chen de ORNL; Donna Johnson de la Universidad de Maine, Michaelas Smith de la Universidad de Tennessee, Lucas Petrides, actualmente Schrödinger y Samarthya Bhagya, actualmente en Plant Switch.
