Un equipo dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía identificó y demostró con éxito un nuevo método para procesar un material de origen vegetal llamado nanocelulosa que redujo la demanda de energía en un 21%. El método se descubrió mediante simulaciones moleculares ejecutadas en una supercomputadora de laboratorio, seguidas de pruebas piloto y análisis.
El método, que utiliza hidróxido de sodio y disolventes de urea en agua, podría reducir significativamente los costos de producción de fibras nanocelulósicas, un material orgánico fuerte y liviano ideal para estructuras de impresión 3D, como viviendas sustentables y ensamblajes de vehículos. Los resultados apoyan el desarrollo de una bioeconomía circular donde los materiales renovables y biodegradables reemplazan los recursos derivados del petróleo, descarbonizando la economía y reduciendo los residuos.
Colegas de ORNL, la Universidad de Tennessee, Knoxville y el Centro de Desarrollo de Procesos de la Universidad de Maine colaboraron en el proyecto, cuyo objetivo es encontrar un método más eficiente para fabricar un material muy deseable. 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 se produce en suspensiones acuosas de pulpa. Los investigadores probaron ocho disolventes candidatos para determinar cuál serviría como un buen pretratamiento para la celulosa. Utilizaron modelos informáticos que imitan el comportamiento de átomos y moléculas en disolventes y celulosa a medida que se mueven e interactúan. El método simuló alrededor de 0,6 millones de átomos, lo que permitió a los científicos comprender el complejo proceso sin requerir un trabajo físico preliminar que requiere mucho tiempo en el laboratorio.
Las simulaciones, creadas por investigadores del Centro de Biofísica Molecular de UT-ORNL, o CMB, y el Departamento 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 cada átomo individual y las fuerzas entre ellos, brindan información detallada no solo sobre si un proceso funciona, sino exactamente por qué funciona”, dijo el líder del proyecto Jeremy Smith, director del CMB y presidente del gobernador de UT-ORNL. . .
Una vez que se identificó al mejor candidato, los científicos realizaron pruebas a escala piloto que confirmaron que el pretratamiento con solventes dio como resultado un ahorro de energía del 21 % en comparación con el uso de agua sola, p. Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
Con el solvente ganador, los investigadores estimaron el potencial de ahorrar alrededor de 777 kilovatios hora de electricidad por tonelada métrica de nanofibrillas de celulosa, o CNF, lo que equivale a la cantidad necesaria para alimentar una casa durante aproximadamente un mes. Las pruebas de las fibras aplicadas en el Centro de Ciencia de Materiales Nanofásicos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, y 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 Manojoy Goswami del Grupo de Carbono y Compuestos de ORNL. “Utilizando estas simulaciones de dinámica molecular y nuestra informática de alto rendimiento en la frontera, pudimos lograr rápidamente lo que nos habría llevado años de experimentos de prueba y error”.
Mezcla adecuada de ingredientes, fabricación.
“Cuando combinamos las herramientas de nanociencia en ORNL con nuestra experiencia en computación, ciencia de materiales y fabricación y conocimiento de productos forestales en la Universidad de Maine, podemos eliminar parte del juego de adivinanzas de la ciencia y desarrollar soluciones más específicas para los experimentos”, dijo Soydan Ozcan, líder del Grupo de Tecnología 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 conocida como Hub and Spoke Sustainable Materials and Manufacturing Pro-Alliance for Renewable Technologies. o SM2ART.
El programa SM2ART se centra en desarrollar una fábrica del futuro a escala de infraestructura, donde se utilizan biomateriales sostenibles que ahorran carbono para fabricar de todo, desde hogares, barcos y automóviles hasta infraestructura de energía limpia, como componentes de turbinas eólicas, dijo Ozkan.
“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 viviendas”, afirmó Smith.
Por lo general, se necesitan seis meses para construir una casa utilizando métodos convencionales. Pero con la combinación adecuada de materiales y fabricación aditiva, los componentes duraderos y modulares de las viviendas podrían tardar sólo uno o dos días en producirse y ensamblarse, añadieron los científicos.
El equipo continúa buscando vías adicionales para una producción de nanocelulosa más rentable, incluidos nuevos procesos de secado. Se espera que las investigaciones posteriores utilicen simulaciones para predecir combinaciones óptimas de nanocelulosa y otros polímeros para crear compuestos reforzados con fibra para sistemas de fabricación avanzados, como los que se están desarrollando y perfeccionando 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 en el proyecto de solventes incluyen a Shih-Hsien Liu, Shalini Rukmani, Mohan Mudd, Yan Yu y Deria Vural del Centro de Biofísica Molecular de UT-ORNL; Katie Copenhaver, Megan Lam, Kai Li y Zihua Chen de ORNL; Donna Johnson de la Universidad de Maine, Mykolas Smith de la Universidad de Tennessee, Lucas Petridis, ahora en Schrödinger, y Samarth Bhagia, ahora en PlantSwitch.