Atomistic simulations for nanocellulose materials design
- Reference number
- ICA10-0086
- Start and end dates
- 120401-150331
- Amount granted
- 3 000 000 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The objective is to introduce atomistic models and Molecular Dynamics (MD) simulations into the materials design process when developing new biobased nanomaterials made of cellulose (nanofibrillated cellulose, NFC). In addition to MD simulations, the aim is to collaborate with experts from multidisciplinary areas and establish a link between the raw material (NFC) and properties of NFC materials by multiscale modeling and experiments. Ultimately, the goal is to decrease production cost of NFC materials. NFC materials (e.g. films or foams) are hierarchal network structures. The width of a nanocellulose fibril is at the nanometer scale and molecular structure and properties becomes crucial. By introducing a sophisticated and well-established computer modeling technique such as MD we aim to focus on the understanding of NFC at the atomistic level. Work plan The main applicant and a full time doctoral student will carry out the major research. Atomistic computer simulations will be performed focusing on cellulose fine structure, cellulose fibril-fibril interactions and mechanical properties of the atomistic model fibrils. Expected results Cellulose structure and interactions in nanocellulose network materials will be examined. Mechanical properties and fibril-fibril interactions of atomistic cellulose fibril models will be quantified and the results integrated into larger scale models such as coarse grained molecular models and finite element network models.
Popular science description
Atomistiska simuleringar för design av nanocellulosamaterial Nya material baserade på nanofibrillerad cellulosa (NFC) är ett intressant alternativ till traditionella trä- och pappersprodukter för svensk skogs- och pappersindustri. Materialen är tekniskt avancerade och har högre värde än exempelvis vanligt papper. Nanofibrillerad cellulosa går att utvinna ur trä genom mekanisk och kemisk behandling. Man får då fram fibriller som består av ett fåtal långa cellulosamolekyler som ligger ordnade i längsriktningen. Med olika typer av processer är det möjligt att få NFC-fibrillerna att bilda nätverksliknande strukturer som är designade på näst intill atomär nivå. Dessa material karakteriseras av att de kan göras både lätta och starka och framförallt är det möjligt att variera egenskaperna efter behov. Molekyldynamiska (MD) datorsimuleringar har länge använts inom läkemedelsindustrin, och till viss del även för materialdesign. Inom området för materialdesign med cellulosa som basmaterial är tekniken dock relativt ny. Detta projekt syftar till att utveckla realistiska atomära modeller för MD simuleringar av materialets struktur och egenskaper. Därmed kan vi öka förståelsen för hur materialet beter sig på denna skala och dessutom kan man lättare justera för att få fram önskade materialegenskaper. Övergripande syfte är att vara en del av ett samarbete över disciplingränserna, där vi gemensamt arbetar för att skapa en multiskalmodell av de nätverksstrukturer som NFC-materialen bildar. Det atomära bidraget till dessa modeller på större skala kommer att ha stor inverkan på materialegenskaperna, och för att verkligen kunna utföra materialdesign på atomnivå krävs denna kunskap.