Percée dans les biomatériaux : simulations moléculaires et supercalcul éconergétiques pour un futur durable
ParisLes chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du département américain de l'Énergie ont réalisé une avancée majeure dans la production de la nanocellulose, un matériau dérivé des plantes. Grâce à des simulations moléculaires exécutées par des ordinateurs puissants, ils ont découvert un moyen de réduire de 21 % l'énergie requise pour traiter la nanocellulose. Cette percée pourrait réduire les coûts et avoir des avantages environnementaux significatifs.
Des scientifiques ont découvert qu’un mélange d’hydroxyde de sodium et d’urée dissous dans l’eau peut être efficace. Ils ont fait cette découverte grâce à des simulations sur Frontier, le superordinateur le plus rapide destiné à la science ouverte et géré par l’ORNL. Les simulations ont suivi le comportement d’environ 600 000 atomes, permettant aux chercheurs de comprendre leurs interactions sans recourir à des expériences physiques.
Principaux Avantages :
- Diminue la consommation d'énergie de 21%
- Économies d'électricité estimées à environ 777 kilowattheures par tonne métrique de nanocellulose
- Préserve la résistance mécanique et d'autres propriétés souhaitables
La nanocellulose, dérivée des parois cellulaires des plantes, est bien plus solide que l'acier et extrêmement légère. Cela en fait un matériau idéal pour l'impression 3D de logements écologiques et de pièces automobiles. En combinant la technologie informatique, la science des matériaux et des méthodes de fabrication avancées, les chercheurs ont optimisé le processus de production.
Utiliser l'énergie de manière efficiente est crucial pour augmenter la production de matériaux renouvelables et réduire notre dépendance aux produits dérivés du pétrole. Cette nouvelle approche favorise un système où les matériaux renouvelables et biodégradables sont mis en avant. Ce changement peut diminuer les émissions de carbone, réduire les déchets et encourager des méthodes de fabrication plus durables.
La méthode de l'équipe consistant à utiliser des simulations avant les tests réels établit une nouvelle norme dans la recherche en science des matériaux. Les simulations permettent d'éviter des processus coûteux et longs d'essais et erreurs, accélérant ainsi l'innovation. Cette approche pourrait également transformer d'autres domaines, conduisant à un développement plus rapide et plus efficace de nouvelles technologies.
ORNL, l'Université du Tennessee, l'Université du Maine et le Bureau de la science du DOE ont collaboré pour résoudre des problèmes complexes. Ce projet a démontré la puissance des superordinateurs dans la recherche scientifique et a fait des avancées dans la création de matériaux solides, à faible coût et à empreinte carbone neutre grâce à la fabrication avancée.
La recherche future vise à réduire les coûts de fabrication des composites renforcés de fibres en explorant de nouvelles techniques de séchage et combinaisons de matériaux. Les scientifiques utiliseront des simulations pour identifier les meilleurs mélanges, ce qui aidera à améliorer la production de ces matériaux pour la fabrication avancée. Ce travail soutient des efforts plus larges pour innover et améliorer la fabrication aux États-Unis avec des méthodes durables.
L'étude est publiée ici:
http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2405107121et sa citation officielle - y compris les auteurs et la revue - est
Shih-Hsien Liu, Shalini J. Rukmani, Mood Mohan, Yan Yu, Derya Vural, Donna A. Johnson, Katie Copenhaver, Samarthya Bhagia, Meghan E. Lamm, Kai Li, Jihua Chen, Monojoy Goswami, Micholas Dean Smith, Loukas Petridis, Soydan Ozcan, Jeremy C. Smith. Molecular-level design of alternative media for energy-saving pilot-scale fibrillation of nanocellulose. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; 121 (37) DOI: 10.1073/pnas.2405107121
Partager cet article