(Noticias de Nanowerk) Un equipo dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía identificó y demostró con éxito un nuevo método para procesar un material de origen vegetal llamado nanocelulosa que redujo las necesidades energéticas en un enorme 21%. El enfoque se descubrió utilizando simulaciones moleculares ejecutadas en las supercomputadoras del laboratorio, seguidas de pruebas piloto y análisis. El método, que aprovecha un solvente de hidróxido de sodio y urea en agua, puede reducir significativamente el costo de producción de la fibra nanocelulósica, un biomaterial fuerte y liviano ideal como compuesto para estructuras de impresión 3D como viviendas sustentables y ensamblajes de vehículos. Los hallazgos respaldan el desarrollo de una bioeconomía circular en la que los materiales renovables y biodegradables reemplazan los recursos derivados del petróleo, descarbonizando la economía y reduciendo los desechos. Los colegas de ORNL, la Universidad de Tennessee, Knoxville y el Centro de Desarrollo de Procesos de la Universidad de Maine colaboraron en el proyecto que apunta a un método más eficiente para producir un material altamente deseable. La nanocelulosa es una forma de celulosa polimérica natural que se encuentra en las paredes celulares de las plantas y que es hasta ocho veces más fuerte que el acero. Los científicos buscaron una fibrilación más eficiente: el proceso de separación de la celulosa en nanofibrillas, un procedimiento mecánico tradicionalmente de alto consumo de energía y alta presión que se lleva a cabo en una suspensión acuosa de pulpa. Los investigadores probaron ocho solventes candidatos para determinar cuál funcionaría como un mejor pretratamiento para la celulosa. Utilizaron modelos informáticos que imitan el comportamiento de los átomos y las moléculas en los solventes y la celulosa a medida que se mueven e interactúan. El enfoque simuló alrededor de 0.6 millones de átomos, lo que proporcionó a los científicos una comprensión del complejo proceso sin la necesidad de un trabajo físico inicial que consume mucho tiempo en el laboratorio.
Los científicos de ORNL utilizaron simulaciones de dinámica molecular, computación a exaescala, pruebas de laboratorio y análisis para acelerar el desarrollo de un método de ahorro de energía para producir fibras nanocelulósicas. Este material fuerte y liviano es ideal para la impresión 3D de viviendas sustentables, vehículos y componentes de energía limpia. (Imagen: Andy Sproles/ORNL) Las simulaciones desarrolladas por investigadores del Centro de Biofísica Molecular de UT-ORNL, o CMB, y la División de Ciencias Químicas de ORNL se ejecutaron en el sistema de computación a exaescala Frontier, la supercomputadora más rápida del mundo para ciencia abierta. Frontier es parte de Oak Ridge Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. "Estas simulaciones, que analizan cada átomo y las fuerzas entre ellos, brindan información detallada no solo sobre si un proceso funciona, sino exactamente por qué funciona", dijo el líder del proyecto Jeremy Smith, director del CMB y presidente del gobernador de UT-ORNL. Una vez identificado el mejor candidato, los científicos realizaron experimentos a escala piloto que confirmaron que el pretratamiento con solvente resultó en un ahorro de energía del 21% en comparación con el uso de agua solamente, como se describe en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias (“Diseño a nivel molecular de medios alternativos para la fibrilación de nanocelulosa a escala piloto con ahorro de energía”). Con el disolvente ganador, los investigadores calcularon un potencial de ahorro de electricidad de unos 777 kilovatios hora por tonelada métrica de nanofibrillas de celulosa, o CNF, que es aproximadamente el equivalente a la cantidad necesaria para alimentar una casa durante un mes. Las pruebas de las fibras resultantes en el Centro de Ciencia de Materiales Nanofásicos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, y la U-Maine encontraron una resistencia mecánica similar y otras características deseables en comparación con las CNF producidas convencionalmente. "Nos centramos en el proceso de separación y secado, ya que es la etapa que consume más energía en la creación de fibra nanocelulósica", dijo Monojoy Goswami del grupo de Carbono y Compuestos de ORNL. "Usando estas simulaciones de dinámica molecular y nuestra computación de alto rendimiento en Frontier, pudimos lograr rápidamente lo que nos habría llevado años en experimentos de prueba y error".
La combinación adecuada de materiales y fabricación.
“Cuando combinamos nuestra experiencia en computación, ciencia de materiales y fabricación y las herramientas de nanociencia en ORNL con el conocimiento de los productos forestales en la Universidad de Maine, podemos eliminar parte del juego de adivinanzas de la ciencia y desarrollar soluciones más específicas para la experimentación”, dijo Soydan Ozcan, líder del grupo de Tecnologías de Fabricación Sostenible en ORNL. El proyecto cuenta con el apoyo tanto de la Oficina de Materiales Avanzados y Tecnologías de Fabricación de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, o AMMTO, como de la asociación de ORNL y U-Maine conocida como Hub & Spoke Sustainable Materials & Manufacturing Alliance for Renewable Technologies Program, o SM2ART. El programa SM2ART se centra en el desarrollo de una fábrica a escala de infraestructura del futuro, donde se utilicen biomateriales sostenibles que almacenen carbono para construir todo, desde casas, barcos y automóviles hasta infraestructura de energía limpia, como componentes de turbinas eólicas, dijo Ozcan. “Crear materiales resistentes, asequibles y neutros en carbono para impresoras 3D nos da una ventaja para resolver problemas como la escasez de viviendas”, dijo Smith. Por lo general, se necesitan unos seis meses para construir una casa utilizando métodos convencionales. Pero con la combinación adecuada de materiales y fabricación aditiva, producir y ensamblar componentes de viviendas modulares y sustentables podría llevar solo un día o dos, agregaron los científicos. El equipo continúa buscando vías adicionales para una producción de nanocelulosa más rentable, incluidos nuevos procesos de secado. Se espera que la investigación de seguimiento utilice simulaciones para predecir también la mejor combinación de nanocelulosa y otros polímeros para crear compuestos reforzados con fibra para sistemas de fabricación avanzados como los que se están desarrollando y refinando en la Instalación de Demostración de Fabricación del DOE, o MDF, en ORNL. La MDF, apoyada por AMMTO, es un consorcio nacional de colaboradores que trabajan con ORNL para innovar, inspirar y catalizar la transformación de la fabricación en EE. UU.- Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
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- Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=65754.php
