分子模拟和超级计算为节能生物材料带来启示

美国能源部橡树岭国家实验室的科学家领导的团队确定并成功演示了一种处理植物基材料纳米纤维素的新方法，这种方法可将能源需求降低 21%。该方法是使用实​​验室超级计算机上的分子模拟发现的，随后进行了试点测试和分析。

该方法利用氢氧化钠和尿素在水中的溶剂，可以显著降低纳米纤维素纤维的生产成本。纳米纤维素纤维是一种坚固、轻质的生物材料，非常适合用作 3D 打印结构(如可持续住房和车辆组件)的复合材料。该研究结果支持发展循环生物经济，其中可再生、可生物降解的材料取代石油基资源，从而实现经济脱碳并减少浪费。

ORNL、田纳西大学诺克斯维尔分校和缅因大学工艺开发中心的同事们合作开展了该项目，旨在寻找一种更高效的方法来生产一种非常理想的材料。纳米纤维素是一种天然聚合物纤维素，存在于植物细胞壁中，其强度是钢的八倍。

科学家们追求更有效的原纤化：将纤维素分离成纳米原纤维的过程，传统上是一种在水性纸浆悬浮液中进行的能量密集型、高压机械过程。

研究人员测试了八种候选溶剂，以确定哪种溶剂对纤维素的预处理效果更好。他们使用计算机模型模拟溶剂和纤维素中原子和分子在移动和相互作用时的行为。

该方法模拟了大约 600 万个原子，使科学家无需在实验室进行初始的、耗时的体力工作即可了解复杂的过程。

UT-ORNL 分子生物物理中心 (CMB) 和 ORNL 化学科学部的研究人员开发的模拟是在 Frontier 百亿亿次计算系统上运行的，该系统是世界上最快的开放科学超级计算机。Frontier 是橡树岭领导计算设施的一部分，该设施是 ORNL 的 DOE 科学办公室用户设施。

“这些模拟观察了每一个原子以及它们之间的作用力，不仅可以详细了解某个过程是否有效，还可以了解它为什么有效，”项目负责人、CMB 主任兼 UT-ORNL 主席杰里米·史密斯 (Jeremy Smith) 说。

一旦确定了最佳候选方案，科学家们便进行了中试规模的实验，结果证实与单独使用水相比，溶剂预处理可节省 21% 的能源，正如《美国国家科学院院刊》上发表的一篇文章所述。

研究人员估计，使用这种成功的溶剂，每吨纤维素纳米纤维(CNF)可节省约 777 千瓦时的电力，这大致相当于一户人家一年的用电量。纳米相材料科学中心(位于 ORNL 的美国能源部科学办公室用户设施)对由此产生的纤维进行了测试，结果发现，与传统生产的 CNF 相比，这种纤维的机械强度和其他理想特性相似。

ORNL 碳和复合材料小组的 Monojoy Goswami 表示：“我们重点关注分离和干燥过程，因为这是制造纳米纤维素纤维过程中耗能最高的阶段。利用这些分子动力学模拟和 Frontier 的高性能计算，我们能够快速完成可能需要数年反复试验才能完成的工作。”

正确的材料组合、制造

ORNL可持续制造技术小组负责人Soydan Ozcan 表示：“当我们将ORNL的计算、材料科学和制造专业知识以及纳米科学工具与缅因大学的林业产品知识结合起来时，我们可以从科学中消除一些猜测，并开发出更有针对性的实验解决方案。”

该项目得到了美国能源部能源效率和可再生能源办公室先进材料和制造技术办公室 (AMMTO) 以及橡树岭国家实验室和缅因大学合作伙伴关系(称为“可再生技术项目的中心辐射可持续材料和制造联盟”或 SM2ART)的支持。

奥兹坎表示，SM2ART 计划专注于开发未来的基础设施规模工厂，该工厂将使用可持续的碳储存生物材料建造从房屋、船舶、汽车到风力涡轮机组件等清洁能源基础设施等一切事物。

史密斯说：“为 3D 打印机制造坚固、实惠、碳中性的材料，使我们在解决住房短缺等问题上具有优势。”

使用传统方法建造房屋通常需要六个月左右的时间。但科学家们补充说，通过正确的材料组合和增材制造，生产和组装可持续的模块化房屋组件可能只需一两天时间。

该团队继续寻求更具成本效益的纳米纤维素生产的其他途径，包括新的干燥工艺。

预计后续研究将使用模拟技术预测纳米纤维素与其他聚合物的最佳组合，以制造用于先进制造系统的纤维增强复合材料，例如正在美国能源部位于 ORNL 的制造示范设施(MDF)开发和完善的系统。

MDF 由 AMMTO 提供支持，是一个全国性的合作者联盟，与 ORNL 合作创新、启发和促进美国制造业的转型。

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