(Notícias Nanowerk) Uma equipe liderada por cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia identificou e demonstrou com sucesso um novo método para processar um materials vegetal chamado nanocelulose que reduziu as necessidades de energia em incríveis 21%. A abordagem foi descoberta usando simulações moleculares executadas nos supercomputadores do laboratório, seguidas por testes piloto e análise.
O método, alavancando um solvente de hidróxido de sódio e ureia em água, pode reduzir significativamente o custo de produção da fibra nanocelulósica — um biomaterial forte e leve, superb como um composto para estruturas de impressão 3D, como conjuntos de moradias e veículos sustentáveis. As descobertas apoiam o desenvolvimento de uma bioeconomia round na qual materiais renováveis e biodegradáveis substituem recursos baseados em petróleo, descarbonizando a economia e reduzindo o desperdício.
Colegas do ORNL, da College of Tennessee, Knoxville, e do Course of Improvement Middle da College of Maine colaboraram no projeto que visa um método mais eficiente de produção de um materials altamente desejável. A nanocelulose é uma forma do polímero pure celulose encontrada nas paredes celulares das plantas que é até oito vezes mais forte que o aço.
Os cientistas buscaram uma fibrilação mais eficiente: o processo de separação de celulose em nanofibrilas, tradicionalmente um procedimento mecânico de alta pressão e uso intensivo de energia que ocorre em uma suspensão aquosa de polpa. Os pesquisadores testaram oito solventes candidatos para determinar qual funcionaria como um melhor pré-tratamento para a celulose. Eles usaram modelos de computador que imitam o comportamento de átomos e moléculas nos solventes e na celulose conforme eles se movem e interagem. A abordagem simulou cerca de 0,6 milhões de átomos, dando aos cientistas uma compreensão do processo complexo sem a necessidade de trabalho físico inicial e demorado no laboratório.

As simulações desenvolvidas por pesquisadores do UT-ORNL Middle for Molecular Biophysics, ou CMB, e da Chemical Sciences Division no ORNL foram executadas no sistema de computação exascale Frontier — o supercomputador mais rápido do mundo para ciência aberta. O Frontier faz parte do Oak Ridge Management Computing Facility, uma instalação de usuário do DOE Workplace of Science no ORNL.
“Essas simulações, observando cada átomo e as forças entre eles, fornecem uma visão detalhada não apenas sobre se um processo funciona, mas exatamente por que ele funciona”, disse o líder do projeto, Jeremy Smith, diretor do CMB e presidente do conselho do UT-ORNL.
Uma vez identificado o melhor candidato, os cientistas prosseguiram com experimentos em escala piloto que confirmaram que o pré-tratamento com solvente resultou em uma economia de energia de 21% em comparação ao uso apenas de água, conforme descrito no Anais da Academia Nacional de Ciências (“Design em nível molecular de meios alternativos para fibrilação em escala piloto de nanocelulose com economia de energia”).
Com o solvente vencedor, os pesquisadores estimaram um potencial de economia de eletricidade de cerca de 777 quilowatts-hora por tonelada métrica de nanofibrilas de celulose, ou CNF, que é aproximadamente o equivalente à quantidade necessária para abastecer uma casa por um mês. Os testes das fibras resultantes no Middle for Nanophase Supplies Science, uma instalação de usuário do DOE Workplace of Science no ORNL, e na U-Maine encontraram resistência mecânica semelhante e outras características desejáveis em comparação com o CNF produzido convencionalmente.
“Nós focamos no processo de separação e secagem, já que é o estágio de maior consumo de energia na criação de fibras nanocelulósicas”, disse Monojoy Goswami do grupo Carbon and Composites do ORNL. “Usando essas simulações de dinâmica molecular e nossa computação de alto desempenho na Frontier, fomos capazes de realizar rapidamente o que poderia ter levado anos em experimentos de tentativa e erro.”
A mistura certa de materiais, fabricação
“Quando combinamos nossa experience em computação, ciência de materiais e fabricação e ferramentas de nanociência no ORNL com o conhecimento de produtos florestais na Universidade do Maine, podemos eliminar um pouco da adivinhação da ciência e desenvolver soluções mais direcionadas para experimentação”, disse Soydan Ozcan, líder do grupo de Tecnologias de Fabricação Sustentável no ORNL.
O projeto é apoiado pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE, pelo Escritório de Materiais Avançados e Tecnologias de Fabricação, ou AMMTO, e pela parceria do ORNL e da U-Maine, conhecida como Hub & Spoke Sustainable Supplies & Manufacturing Alliance for Renewable Applied sciences Program, ou SM2ART.
O programa SM2ART se concentra no desenvolvimento de uma fábrica em escala de infraestrutura do futuro, onde biomateriais sustentáveis e armazenadores de carbono são usados para construir tudo, desde casas, navios e automóveis até infraestrutura de energia limpa, como componentes de turbinas eólicas, disse Ozcan.
“Criar materiais fortes, acessíveis e neutros em carbono para impressoras 3D nos dá uma vantagem para resolver problemas como a escassez de moradias”, disse Smith.
Normalmente, leva cerca de seis meses para construir uma casa usando métodos convencionais. Mas com a mistura certa de materiais e manufatura aditiva, produzir e montar componentes de habitação modulares sustentáveis pode levar apenas um ou dois dias, acrescentaram os cientistas.
A equipe continua a buscar caminhos adicionais para uma produção de nanocelulose mais econômica, incluindo novos processos de secagem. Espera-se que a pesquisa de acompanhamento use simulações para também prever a melhor combinação de nanocelulose e outros polímeros para criar compósitos reforçados com fibras para sistemas de fabricação avançados, como os que estão sendo desenvolvidos e refinados na Manufacturing Demonstration Facility do DOE, ou MDF, no ORNL. O MDF, apoiado pela AMMTO, é um consórcio nacional de colaboradores trabalhando com o ORNL para inovar, inspirar e catalisar a transformação da fabricação dos EUA.