Молекулярное моделирование и суперкомпьютеры проливают свет на энергосберегающие биоматериалы

Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США с коллегами открыли и успешно продемонстрировали новый метод обработки растительного материала — наноцеллюлозы, который снизил потребление энергии на впечатляющие 21%. Подход был обнаружен с помощью молекулярного моделирования на суперкомпьютерах лаборатории, а затем проверен в пилотных испытаниях.

Метод, использующий растворитель на основе гидроксида натрия и мочевины в воде, может значительно снизить стоимость производства наноцеллюлозного волокна — прочного, легкого биоматериала, идеального для композитов в 3D-печати конструкций, таких как устойчивое жилье и узлы транспортных средств. Результаты поддерживают развитие циркулярной биоэкономики, где возобновляемые, биоразлагаемые материалы заменяют нефтепродукты.

Наноцеллюлоза — это форма природного полимера целлюлозы, содержащегося в клеточных стенках растений, которая до 8 раз прочнее стали. Ученые искали более эффективный способ фибрилляции — процесса разделения целлюлозы на нановолокна, традиционно требующего больших затрат энергии и высокого давления.

Исследователи смоделировали около 6 миллионов атомов, чтобы понять сложный процесс без начальных трудоемких физических экспериментов. Моделирование проводилось на экзафлопсной системе Frontier — самом быстром в мире суперкомпьютере для открытой науки.

«Эти симуляции, рассматривающие каждый атом и силы между ними, дают детальное понимание не только того, работает ли процесс, но и того, почему именно он работает», — сказал руководитель проекта Джереми Смит.

После выявления лучшего кандидата пилотные эксперименты подтвердили экономию энергии в 21% по сравнению с использованием одной воды. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

С этим растворителем исследователи оценили потенциальную экономию электроэнергии примерно в 777 киловатт-часов на метрическую тонну нановолокон целлюлозы (CNF), что примерно эквивалентно годовому потреблению энергии одного дома. Тестирование показало, что полученные волокна имеют аналогичную механическую прочность и другие желаемые характеристики по сравнению с традиционно произведенными CNF.

«Мы нацелились на процесс разделения и сушки, так как это самый энергоемкий этап создания наноцеллюлозного волокна», — сказал Моноджой Госвами. «Используя молекулярно-динамическое моделирование и высокопроизводительные вычисления на Frontier, мы смогли быстро достичь того, на что в методе проб и ошибок ушли бы годы».

Проект поддерживается как Управлением перспективных материалов и производственных технологий (AMMTO) Министерства энергетики США, так и программой SM2ART — партнерством ORNL и Университета Мэна.

Программа SM2ART фокусируется на создании «фабрики будущего», где устойчивые, углеродосодержащие биоматериалы используются для строительства всего: от домов, кораблей и автомобилей до компонентов ветряных турбин.

«Создание прочных, доступных, углеродно-нейтральных материалов для 3D-принтеров дает нам преимущество в решении таких проблем, как нехватка жилья», — сказал Смит.

Обычно на строительство дома уходит около шести месяцев. Но с правильной комбинацией материалов и аддитивного производства производство и сборка устойчивых модульных жилищных компонентов могут занять всего день или два.

Команда продолжает искать дополнительные пути для более рентабельного производства наноцеллюлозы, включая новые процессы сушки. Дальнейшие исследования будут использовать моделирование для прогнозирования лучших комбинаций наноцеллюлозы с другими полимерами для создания армированных волокном композитов.