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Uma equipe liderada por cientistas do Oak Ridge National Laboratory do Departamento de Energia identificou e demonstrou com sucesso um novo método para processar um material vegetal chamado nanocelulose que reduziu as necessidades de energia em impressionantes 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, ideal como um composto para estruturas de impressão 3D, como conjuntos de moradias e veículos sustentáveis. As descobertas apoiam o desenvolvimento de uma bioeconomia circular na qual materiais renováveis e biodegradáveis substituem recursos baseados em petróleo, descarbonizando a economia e reduzindo o desperdício.
Colegas do ORNL, da University of Tennessee, Knoxville, e do Process Development Center da University of Maine colaboraram no projeto que visa um método mais eficiente de produção de um material altamente desejável. A nanocelulose é uma forma do polímero natural 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 Center 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 Leadership Computing Facility, uma instalação de usuário do DOE Office 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.
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 Center for Nanophase Materials Science, uma instalação de usuário do DOE Office 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 que mais consome 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 experiência em computação, ciência de materiais e fabricação e ferramentas de nanociência do ORNL com o conhecimento de produtos florestais da Universidade do Maine, podemos eliminar parte da incerteza da ciência e desenvolver soluções mais direcionadas para experimentação”, disse Soydan Ozcan, líder do grupo de Tecnologias de Fabricação Sustentável do 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 Materials & Manufacturing Alliance for Renewable Technologies 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.
Outros cientistas no projeto de solventes incluem Shih-Hsien Liu, Shalini Rukmani, Mohan Mood, Yan Yu e Derya Vural do Centro de Biofísica Molecular da UT-ORNL; Katie Copenhaver, Meghan Lamm, Kai Li e Jihua Chen do ORNL; Donna Johnson da Universidade do Maine, Micholas Smith da Universidade do Tennessee, Loukas Petridis, atualmente na Schrödinger e Samarthya Bhagia, atualmente na PlantSwitch.
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