분자 시뮬레이션과 슈퍼컴퓨터 활용으로 나노셀룰로오스 생산 에너지 21% 절감 발견 최신 연구
Seoul에너지부의 오크리지 국립연구소 과학자들은 식물에서 얻어지는 소재인 나노셀룰로오스 제조에 큰 진전을 이뤘습니다. 강력한 컴퓨터를 사용하여 분자 시뮬레이션을 실행함으로써 나노셀룰로오스를 처리하는 데 필요한 에너지를 21% 절감하는 방법을 발견했습니다. 이 혁신은 비용 절감과 환경 보호에 기여할 수 있습니다.
과학자들은 수산화 나트륨과 요소를 물에 혼합하면 효과적일 수 있다는 것을 발견했습니다. 이들은 ORNL이 관리하는 오픈 사이언스 분야에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터인 프론티어를 사용하여 시뮬레이션을 통해 이 발견을 했습니다. 시뮬레이션에서는 약 60만 개의 원자가 어떻게 상호작용하는지를 추적하여 물리적 실험 없이도 그 상호작용을 이해할 수 있도록 도왔습니다.
주요 장점:
- 에너지 소비를 21% 줄입니다.
- 나노셀룰로오스 1톤당 약 777킬로와트시의 전기 절약이 예상됩니다.
- 기계적 강도와 다른 바람직한 특성을 유지합니다.
나노셀룰로오스는 식물 세포벽에서 추출되며, 강철보다 훨씬 강하고 매우 가볍습니다. 이러한 특성 덕분에 친환경 주택 및 자동차 부품 제작을 위한 3D 프린팅 재료로 적합합니다. 연구자들은 컴퓨터 기술, 재료 지식, 고급 제조 기법을 결합하여 생산 공정을 개선해 왔습니다.
에너지를 효율적으로 사용하는 것은 재생 가능한 소재의 생산을 늘리고, 석유 기반 제품에 대한 의존도를 줄이는 데 중요합니다. 이러한 새로운 접근 방식은 재생 가능하고 생분해성 있는 소재를 우선시하는 시스템을 만듭니다. 이러한 변화는 탄소 배출을 줄이고, 폐기물을 줄이며, 더 지속 가능한 제조 방법을 지원할 수 있습니다.
팀이 실제 테스트에 앞서 시뮬레이션을 사용하는 방법은 재료 과학 연구에서 새로운 기준을 제시하고 있습니다. 시뮬레이션은 비용이 많이 들고 시간이 소모되는 시행착오 과정을 피할 수 있게 하여 혁신을 가속화합니다. 이러한 접근 방식은 다른 분야에도 변화를 가져와 새로운 기술 개발이 더욱 빠르고 효율적으로 이루어질 수 있습니다.
ORNL, 테네시 대학교, 메인 대학교, 그리고 DOE 과학부는 어려운 문제를 해결하기 위해 협력했습니다. 이 프로젝트는 과학 연구에서 슈퍼컴퓨터의 강력함을 보여주었고, 첨단 제조 기술을 통해 강력하고 저렴한 탄소중립 소재를 개발하는 데 진전을 이뤘습니다.
미래 연구는 새로운 건조 기술과 재료 조합을 탐구하여 섬유 강화 복합재료를 더 저렴하게 만드는 방법을 찾는 것을 목표로 하고 있습니다. 과학자들은 시뮬레이션을 활용해 최적의 혼합물을 찾아내어, 이러한 소재의 생산을 개선하고 첨단 제조에 기여하려고 합니다. 이 연구는 지속 가능한 방법으로 미국 제조업의 혁신과 향상을 지원하는 광범위한 노력의 일환입니다.
연구는 여기에서 발표되었습니다:
http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2405107121및 그 공식 인용 - 저자 및 저널 포함 - 다음과 같습니다
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.2405107121오늘 · 오전 4:03
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