美國能源部橡樹嶺國家實驗室的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊確定并成功演示了一種處理植物基材料納米纖維素的新方法，這種方法可將能源需求降低 21%。該方法是使用實??驗室超級計算機上的分子模擬發(fā)現(xiàn)的，隨后進(jìn)行了試點測試和分析。
該方法利用氫氧化鈉和尿素在水中的溶劑，可以顯著降低納米纖維素纖維的生產(chǎn)成本。納米纖維素纖維是一種堅固、輕質(zhì)的生物材料，非常適合用作 3D 打印結(jié)構(gòu)(如可持續(xù)住房和車輛組件)的復(fù)合材料。該研究結(jié)果支持發(fā)展循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)，其中可再生、可生物降解的材料取代石油基資源，從而實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)脫碳并減少浪費。
ORNL、田納西大學(xué)諾克斯維爾分校和緬因大學(xué)工藝開發(fā)中心的同事們合作開展了該項目，旨在尋找一種更高效的方法來生產(chǎn)一種非常理想的材料。納米纖維素是一種天然聚合物纖維素，存在于植物細(xì)胞壁中，其強度是鋼的八倍。
科學(xué)家們追求更有效的原纖化：將纖維素分離成納米原纖維的過程，傳統(tǒng)上是一種在水性紙漿懸浮液中進(jìn)行的能量密集型、高壓機械過程。
研究人員測試了八種候選溶劑，以確定哪種溶劑對纖維素的預(yù)處理效果更好。他們使用計算機模型模擬溶劑和纖維素中原子和分子在移動和相互作用時的行為。
該方法模擬了大約 600 萬個原子，使科學(xué)家無需在實驗室進(jìn)行初始的、耗時的體力工作即可了解復(fù)雜的過程。
UT-ORNL 分子生物物理中心 (CMB) 和 ORNL 化學(xué)科學(xué)部的研究人員開發(fā)的模擬是在 Frontier 百億億次計算系統(tǒng)上運行的，該系統(tǒng)是世界上最快的開放科學(xué)超級計算機。Frontier 是橡樹嶺領(lǐng)導(dǎo)計算設(shè)施的一部分，該設(shè)施是 ORNL 的 DOE 科學(xué)辦公室用戶設(shè)施。
“這些模擬觀察了每一個原子以及它們之間的作用力，不僅可以詳細(xì)了解某個過程是否有效，還可以了解它為什么有效，”項目負(fù)責(zé)人、CMB 主任兼 UT-ORNL 主席杰里米·史密斯 (Jeremy Smith) 說。
一旦確定了最佳候選方案，科學(xué)家們便進(jìn)行了中試規(guī)模的實驗，結(jié)果證實與單獨使用水相比，溶劑預(yù)處理可節(jié)省 21% 的能源，正如《美國國家科學(xué)院院刊》上發(fā)表的一篇文章所述。
研究人員估計，使用這種成功的溶劑，每噸纖維素納米纖維(CNF)可節(jié)省約 777 千瓦時的電力，這大致相當(dāng)于一戶人家一年的用電量。納米相材料科學(xué)中心(位于 ORNL 的美國能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施)對由此產(chǎn)生的纖維進(jìn)行了測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)生產(chǎn)的 CNF 相比，這種纖維的機械強度和其他理想特性相似。
ORNL 碳和復(fù)合材料小組的 Monojoy Goswami 表示：“我們重點關(guān)注分離和干燥過程，因為這是制造納米纖維素纖維過程中耗能最高的階段。利用這些分子動力學(xué)模擬和 Frontier 的高性能計算，我們能夠快速完成可能需要數(shù)年反復(fù)試驗才能完成的工作。”
正確的材料組合、制造
ORNL可持續(xù)制造技術(shù)小組負(fù)責(zé)人Soydan Ozcan 表示：“當(dāng)我們將ORNL的計算、材料科學(xué)和制造專業(yè)知識以及納米科學(xué)工具與緬因大學(xué)的林業(yè)產(chǎn)品知識結(jié)合起來時，我們可以從科學(xué)中消除一些猜測，并開發(fā)出更有針對性的實驗解決方案。”
該項目得到了美國能源部能源效率和可再生能源辦公室先進(jìn)材料和制造技術(shù)辦公室 (AMMTO) 以及橡樹嶺國家實驗室和緬因大學(xué)合作伙伴關(guān)系(稱為“可再生技術(shù)項目的中心輻射可持續(xù)材料和制造聯(lián)盟”或 SM2ART)的支持。
奧茲坎表示，SM2ART 計劃專注于開發(fā)未來的基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模工廠，該工廠將使用可持續(xù)的碳儲存生物材料建造從房屋、船舶、汽車到風(fēng)力渦輪機組件等清潔能源基礎(chǔ)設(shè)施等一切事物。
史密斯說：“為 3D 打印機制造堅固、實惠、碳中性的材料，使我們在解決住房短缺等問題上具有優(yōu)勢。”
使用傳統(tǒng)方法建造房屋通常需要六個月左右的時間。但科學(xué)家們補充說，通過正確的材料組合和增材制造，生產(chǎn)和組裝可持續(xù)的模塊化房屋組件可能只需一兩天時間。
該團(tuán)隊繼續(xù)尋求更具成本效益的納米纖維素生產(chǎn)的其他途徑，包括新的干燥工藝。
預(yù)計后續(xù)研究將使用模擬技術(shù)預(yù)測納米纖維素與其他聚合物的最佳組合，以制造用于先進(jìn)制造系統(tǒng)的纖維增強復(fù)合材料，例如正在美國能源部位于 ORNL 的制造示范設(shè)施(MDF)開發(fā)和完善的系統(tǒng)。
MDF 由 AMMTO 提供支持，是一個全國性的合作者聯(lián)盟，與 ORNL 合作創(chuàng)新、啟發(fā)和促進(jìn)美國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型。
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