分子模擬和超級計算為節(jié)能生物材料帶來啟示

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(jī)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(fèi)。

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(qiáng)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(jī)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(jī)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(yùn)行的，該系統(tǒng)是世界上最快的開放科學(xué)超級計算機(jī)。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(jī)械強(qiáng)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(jī)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(jī)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(bǔ)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(qiáng)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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