分子模拟和超级计算揭示了节能生物材料

由能源部橡树岭国家实验室的科学家领导的一个团队确定并成功演示了一种加工一种名为纳米纤维素的植物性材料的新方法，该方法将能源需求降低了21%。该方法是通过在实验室的超级计算机上运行分子模拟，然后进行试点测试和分析而发现的

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，是可持续住房和车辆组件等3D打印结构的理想复合材料。这些发现支持循环生物经济的发展，在这种经济中，可再生、可生物降解的材料取代了石油资源，使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合作开展了一个项目，该项目旨在提供一种更有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纤维的过程，传统上是一种能源密集型、高压的机械过程，发生在水性纸浆悬浮液中

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来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，使科学家们能够理解复杂的过程，而不需要在实验室进行初始、耗时的物理工作。

由UT-ORNL分子生物物理学中心（CMB）和ORNL化学科学部的研究人员开发的模拟在Frontier exascale计算系统上运行，这是世界上最快的开放科学超级计算机。Frontier是橡树岭领导力计算设施的一部分，该设施是ORNL的DOE科学办公室用户设施。

“这些模拟着眼于每个原子及其之间的力，不仅提供了对过程是否有效的详细见解，还提供了对其确切原因的详细见解”，CMB主任、UT-ORNL州长主席Jeremy Smith说

正如《美国国家科学院院刊》上发表的一篇文章所述，一旦确定了最佳候选者，科学家们就进行了中试规模的实验，证实溶剂预处理与单独使用水相比可节省21%的能源

研究人员估计，有了获胜的溶剂，每公吨纤维素纳米纤维（CNF）的节电潜力约为777千瓦时，这大致相当于为一所房子供电一年所需的电量。在ORNL的DOE科学办公室用户设施纳米相材料科学中心对所得纤维进行的测试发现，与传统生产的CNF相比，其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说：“我们的目标是分离和干燥过程，因为这是制造纳米纤维素纤维过程中能量最密集的阶段。”。“使用这些分子动力学模拟和我们在Frontier的高性能计算，我们能够快速完成可能需要数年时间进行反复试验的实验。”

正确的材料组合，制造

“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相结合时，我们可以从科学中摆脱一些猜谜游戏，并为实验开发更有针对性的解决方案，”ORNL可持续制造技术小组负责人Soydan Ozcan说。

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）的支持。通过ORNL和U-Maine的合作伙伴关系，即可再生技术计划的中心与辐条可持续材料与制造联盟，Ozcan说，SM2ART计划侧重于开发未来的基础设施规模的工厂，在那里，可持续的碳储存生物材料用于建造从房屋、船舶和汽车到风力涡轮机组件等清洁能源基础设施的一切

史密斯说：“为3D打印机制造坚固、价格实惠的碳中和材料，为我们解决住房短缺等问题提供了优势。”

使用传统方法建造一所房子通常需要大约六个月的时间。但科学家们补充说，如果材料和增材制造的组合得当，生产和组装可持续的模块化住房组件可能只需要一两天的时间

该团队继续探索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

后续研究预计还将使用模拟来预测纳米纤维素和其他聚合物的最佳组合，以创建用于先进制造系统的纤维增强复合材料，例如美国能源部制造示范设施或ORNL的MDF正在开发和改进的系统。

MDF由AMMTO支持，是一个与ORNL合作的全国性联盟，旨在创新、激励和催化美国制造业的转型