美國能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家領導的團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)現的，隨后進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成本。納米纖維素纖維是一種堅固、輕質的生物材料，非常適合用作 3D 打印結構(如可持續(xù)住房和車輛組件)的復合材料。該研究結果支持發(fā)展循環(huán)生物經濟，其中可再生、可生物降解的材料取代石油基資源，從而實現經濟脫碳并減少浪費。
ORNL、田納西大學諾克斯維爾分校和緬因大學工藝開發(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，存在于植物細胞壁中，其強度是鋼的八倍。
科學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，使科學家無需在實驗室進行初始的、耗時的體力工作即可了解復雜的過程。
UT-ORNL 分子生物物理中心 (CMB) 和 ORNL 化學科學部的研究人員開發(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超級計算機。Frontier 是橡樹嶺領導計算設施的一部分，該設施是 ORNL 的 DOE 科學辦公室用戶設施。
“這些模擬觀察了每一個原子以及它們之間的作用力，不僅可以詳細了解某個過程是否有效，還可以了解它為什么有效，”項目負責人、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，科學家們便進行了中試規(guī)模的實驗，結果證實與單獨使用水相比，溶劑預處理可節(jié)省 21% 的能源，正如《美國國家科學院院刊》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，這大致相當于一戶人家一年的用電量。納米相材料科學中心(位于 ORNL 的美國能源部科學辦公室用戶設施)對由此產生的纖維進行了測試，結果發(fā)現，與傳統(tǒng)生產的 CNF 相比，這種纖維的機械強度和其他理想特性相似。
ORNL 碳和復合材料小組的 Monojoy Goswami 表示：“我們重點關注分離和干燥過程，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模擬和 Frontier 的高性能計算，我們能夠快速完成可能需要數年反復試驗才能完成的工作。”
正確的材料組合、制造
ORNL可持續(xù)制造技術小組負責人Soydan Ozcan 表示：“當我們將ORNL的計算、材料科學和制造專業(yè)知識以及納米科學工具與緬因大學的林業(yè)產品知識結合起來時，我們可以從科學中消除一些猜測，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材料和制造技術辦公室 (AMMTO) 以及橡樹嶺國家實驗室和緬因大學合作伙伴關系(稱為“可再生技術項目的中心輻射可持續(xù)材料和制造聯盟”或 SM2ART)的支持。
奧茲坎表示，SM2ART 計劃專注于開發(fā)未來的基礎設施規(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、汽車到風力渦輪機組件等清潔能源基礎設施等一切事物。
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。但科學家們補充說，通過正確的材料組合和增材制造，生產和組裝可持續(xù)的模塊化房屋組件可能只需一兩天時間。
該團隊繼續(xù)尋求更具成本效益的納米纖維素生產的其他途徑，包括新的干燥工藝。
預計后續(xù)研究將使用模擬技術預測納米纖維素與其他聚合物的最佳組合，以制造用于先進制造系統(tǒng)的纖維增強復合材料，例如正在美國能源部位于 ORNL 的制造示范設施(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盟，與 ORNL 合作創(chuàng)新、啟發(fā)和促進美國制造業(yè)的轉型。
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