(Nanowerk Nieuws) Een team onder leiding van wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy heeft een nieuwe methode geïdentificeerd en met succes gedemonstreerd om een op planten gebaseerd materiaal genaamd nanocellulose die de energiebehoefte met maar liefst 21% verminderde. De aanpak werd ontdekt met behulp van moleculaire simulaties op de supercomputers van het lab, gevolgd door pilottesten en analyses. De methode, waarbij gebruik wordt gemaakt van een oplosmiddel van natriumhydroxide en ureum in water, kan de productiekosten van nanocellulosevezels aanzienlijk verlagen — een sterk, lichtgewicht biomateriaal dat ideaal is als composiet voor 3D-geprinte structuren zoals duurzame woningen en voertuigassemblages. De bevindingen ondersteunen de ontwikkeling van een circulaire bio-economie waarin hernieuwbare, biologisch afbreekbare materialen op aardolie gebaseerde hulpbronnen vervangen, de economie koolstofarm maken en afval verminderen. Collega's van ORNL, de University of Tennessee, Knoxville en het Process Development Center van de University of Maine werkten samen aan het project dat gericht is op een efficiëntere methode om een zeer wenselijk materiaal te produceren. Nanocellulose is een vorm van het natuurlijke polymeercellulose dat in plantencelwanden wordt aangetroffen en tot acht keer sterker is dan staal. De wetenschappers streefden naar efficiëntere fibrillatie: het proces van het scheiden van cellulose in nanofibrillen, traditioneel een energie-intensieve, mechanische procedure met hoge druk die plaatsvindt in een waterige pulpsuspensie. De onderzoekers testten acht kandidaat-oplosmiddelen om te bepalen welke beter zouden functioneren als voorbehandeling voor cellulose. Ze gebruikten computermodellen die het gedrag van atomen en moleculen in de oplosmiddelen en cellulose nabootsen terwijl ze bewegen en interacteren. De aanpak simuleerde ongeveer 0.6 miljoen atomen, waardoor wetenschappers inzicht kregen in het complexe proces zonder dat ze eerst tijdrovend fysiek werk in het lab hoefden te doen.
ORNL-wetenschappers gebruikten moleculaire dynamische simulaties, exascale computing, laboratoriumtests en analyses om de ontwikkeling van een energiebesparende methode voor de productie van nanocellulosevezels te versnellen. Dit sterke, lichtgewicht materiaal is ideaal voor 3D-printen van duurzame woningen, voertuigen en schone energiecomponenten. (Afbeelding: Andy Sproles/ORNL) De simulaties die zijn ontwikkeld door onderzoekers van het UT-ORNL Center for Molecular Biophysics, of CMB, en de Chemical Sciences Division bij ORNL, werden uitgevoerd op het Frontier exascale computing-systeem, 's werelds snelste supercomputer voor open science. Frontier is onderdeel van de Oak Ridge Leadership Computing Facility, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit bij ORNL. "Deze simulaties, die kijken naar elk afzonderlijk atoom en de krachten ertussen, bieden gedetailleerd inzicht in niet alleen of een proces werkt, maar ook precies waarom het werkt", aldus projectleider Jeremy Smith, directeur van de CMB en een UT-ORNL Governor's Chair. Nadat de beste kandidaat was geïdentificeerd, voerden de wetenschappers experimenten op pilotschaal uit die bevestigden dat de voorbehandeling met oplosmiddel resulteerde in een energiebesparing van 21% vergeleken met het gebruik van alleen water, zoals beschreven in de Proceedings van de National Academy of Sciences (“Moleculair ontwerp van alternatieve media voor energiebesparende pilot-schaal fibrillatie van nanocellulose”). Met het winnende oplosmiddel schatten onderzoekers het elektriciteitsbesparingspotentieel op ongeveer 777 kilowattuur per ton cellulose nanofibrillen, of CNF, wat ongeveer gelijk is aan de hoeveelheid die nodig is om een huis een maand van stroom te voorzien. Testen van de resulterende vezels bij het Center for Nanophase Materials Science, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit bij ORNL, en U-Maine vonden vergelijkbare mechanische sterkte en andere gewenste eigenschappen vergeleken met conventioneel geproduceerde CNF. "We richtten ons op het scheidings- en droogproces omdat dit de meest energie-intensieve fase is bij het creëren van nanocellulosevezels," zei Monojoy Goswami van de Carbon and Composites-groep van ORNL. "Met behulp van deze moleculaire dynamische simulaties en onze high-performance computing bij Frontier, konden we snel bereiken wat ons jaren had kunnen kosten in trial-and-error-experimenten."
De juiste mix van materialen, productie
"Wanneer we onze computationele, materiaalkundige en productie-expertise en nanowetenschappelijke tools bij ORNL combineren met de kennis van bosbouwproducten aan de University of Maine, kunnen we een deel van het gokspel uit de wetenschap halen en meer gerichte oplossingen voor experimenten ontwikkelen," aldus Soydan Ozcan, hoofd van de Sustainable Manufacturing Technologies-groep bij ORNL. Het project wordt ondersteund door zowel het DOE Office of Energy Efficiency en Renewable Energy's Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office, of AMMTO, als door het partnerschap van ORNL en U-Maine, bekend als het Hub & Spoke Sustainable Materials & Manufacturing Alliance for Renewable Technologies Program, of SM2ART. Het SM2ART-programma richt zich op de ontwikkeling van een fabriek op infrastructuurniveau van de toekomst, waar duurzame, koolstofopslagbiomaterialen worden gebruikt om alles te bouwen, van huizen, schepen en auto's tot schone energie-infrastructuur zoals windturbinecomponenten, aldus Ozcan. "Het creëren van sterke, betaalbare, koolstofneutrale materialen voor 3D-printers geeft ons een voorsprong bij het oplossen van problemen zoals het tekort aan woningen," aldus Smith. Het duurt normaal gesproken ongeveer zes maanden om een huis te bouwen met conventionele methoden. Maar met de juiste mix van materialen en additieve productie kan het produceren en assembleren van duurzame, modulaire woningcomponenten slechts een dag of twee duren, voegden de wetenschappers toe. Het team blijft aanvullende paden nastreven voor kosteneffectievere nanocelluloseproductie, inclusief nieuwe droogprocessen. Verwacht wordt dat vervolgonderzoek simulaties zal gebruiken om ook de beste combinatie van nanocellulose en andere polymeren te voorspellen om vezelversterkte composieten te creëren voor geavanceerde productiesystemen zoals die welke worden ontwikkeld en verfijnd bij DOE's Manufacturing Demonstration Facility, of MDF, bij ORNL. De MDF, ondersteund door AMMTO, is een landelijk consortium van medewerkers die samenwerken met ORNL om de transformatie van de Amerikaanse productie te innoveren, inspireren en katalyseren.- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=65754.php
