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 impresionante 21%. El método se descubrió mediante simulaciones moleculares ejecutadas en las supercomputadoras del laboratorio, seguidas de pruebas piloto y análisis.
El método, que aprovecha un disolvente de hidróxido de sodio y urea en agua, puede reducir significativamente el coste de producción de la fibra nanocelulósica, un biomaterial ligero y resistente ideal como compuesto para estructuras de impresión 3D, como viviendas sostenibles y conjuntos de vehículos. Los hallazgos respaldan el desarrollo de una bioeconomía circular en la que los materiales renovables y biodegradables sustituyan a los recursos derivados del petróleo, descarbonizando la economía y reduciendo los residuos.
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.
Las simulaciones desarrolladas por investigadores del Centro de Biofísica Molecular (CMB) de la UT-ORNL 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 la ciencia abierta. Frontier es parte de Oak Ridge Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía 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.
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 Universidad de 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 fibras nanocelulósicas», dijo Monojoy Goswami, del grupo Carbon and Composites de ORNL. «Usando estas simulaciones de dinámica molecular y nuestra informática de alto rendimiento en Frontier, pudimos lograr rápidamente lo que nos habría llevado años de 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 de la Oficina de Materiales Avanzados y Tecnologías de Fabricación de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, o AMMTO, y de la asociación de ORNL y U-Maine conocida como el Programa de Alianza de Materiales y Fabricación Sostenibles Hub & Spoke para Tecnologías Renovables, 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», afirmó Smith.
Por lo general, se necesitan unos seis meses para construir una casa con 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 las investigaciones posteriores utilicen 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.
Otros científicos que participan en el proyecto de solventes incluyen a Shih-Hsien Liu, Shalini Rukmani, Mohan Mood, Yan Yu y Derya Vural del Centro de Biofísica Molecular UT-ORNL; Katie Copenhaver, Meghan Lamm, Kai Li y Jihua Chen de ORNL; Donna Johnson de la Universidad de Maine, Micholas Smith de la Universidad de Tennessee, Loukas Petridis, actualmente en Schrödinger y Samarthya Bhagia, actualmente en PlantSwitch.
