I ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hanno compiuto un’importante svolta nello sviluppo di biomateriali a risparmio energetico, grazie all’uso di simulazioni di dinamica molecolare e supercalcolo su scala exascale. Questo progresso si è concentrato sulla produzione di fibre di nanocellulosa, un materiale estremamente resistente e leggero, con applicazioni promettenti nella stampa 3D di case, veicoli e componenti per l’energia pulita e sostenibile.
Innovazioni nel processo di fibrillazione
Il team di ricerca ha utilizzato una soluzione di idrossido di sodio e urea in acqua per ottimizzare il processo di fibrillazione della cellulosa. La fibrillazione è il processo di scomposizione della cellulosa in nanofibrille, tradizionalmente ad alta intensità energetica. Questo nuovo approccio, grazie all’impiego della soluzione pretrattante, ha permesso di rendere il processo molto più efficiente dal punto di vista energetico, potenzialmente riducendo i costi di produzione. Secondo i ricercatori, l’adozione di questo metodo potrebbe abbattere il consumo energetico fino a 777 kilowattora per tonnellata di nanofibrille, equivalenti al consumo elettrico medio mensile di una famiglia.
Jeremy Smith, direttore del Center for Molecular Biophysics (CMB) presso ORNL e responsabile del progetto, ha spiegato: “Queste simulazioni ci permettono di esaminare ogni singolo atomo e le forze tra di essi, offrendo una comprensione dettagliata non solo del funzionamento di un processo, ma anche del perché funziona.”
L’importanza del supercalcolo
Grazie al supercomputer exascale Frontier, gli scienziati hanno potuto studiare in dettaglio le interazioni tra solventi e cellulosa a livello atomico. Questo ha consentito loro di identificare la soluzione di pretrattamento più efficace, che ha notevolmente ridotto il consumo energetico rispetto ai metodi tradizionali che utilizzano solo acqua.
Monojoy Goswami, membro del gruppo Carbon and Composites di ORNL, ha sottolineato l’importanza di questa innovazione: “Ci siamo concentrati sul processo di separazione e essiccazione, che rappresenta la fase più energivora nella produzione di fibre di nanocellulosa. Grazie alle simulazioni di dinamica molecolare e ai nostri computer ad alte prestazioni, siamo riusciti a ottenere risultati in tempi molto più brevi rispetto a quanto sarebbe stato possibile con i soli esperimenti tradizionali.”
Verso una produzione più sostenibile
Le fibre di nanocellulosa ottenute attraverso questo metodo presentano proprietà meccaniche comparabili a quelle delle fibre prodotte con tecniche convenzionali, ma con una maggiore efficienza e un minore impatto ambientale. L’integrazione delle competenze computazionali e scientifiche dell’ORNL con l’esperienza dell’Università del Maine nel settore dei prodotti forestali ha permesso di sviluppare soluzioni più mirate e di ridurre significativamente il tempo necessario per la ricerca sperimentale.
Soydan Ozcan, leader del Sustainable Manufacturing Technologies Group presso ORNL, ha affermato: “Combinando le nostre competenze in scienza dei materiali e tecnologie di produzione con le risorse di nanoscienza dell’ORNL e le conoscenze sui prodotti forestali dell’Università del Maine, possiamo eliminare molte delle incertezze dalla scienza e sviluppare soluzioni più precise per gli esperimenti.”
Questo progetto, sostenuto dall’Ufficio per l’efficienza energetica e le energie rinnovabili del DOE, si pone l’obiettivo di sviluppare soluzioni industriali sostenibili basate su biomateriali, contribuendo a un futuro più verde e meno dipendente dalle risorse energetiche tradizionali.
