Atomistiska simuleringar för design av nanocellulosamaterial
- Diarienummer
- ICA10-0086
- Start- och slutdatum
- 120401-150331
- Beviljat belopp
- 3 000 000 kr
- Förvaltande organisation
- KTH - Royal Institute of Technology
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Målet är att introducera atomistiska modeller och molekyldynamiska simuleringar i materialdesignprocessen för framtagandet av nya material från nanofibrillerad cellulosa (NFC). Utöver MD-simuleringarna, målet är att i samverkan med experter från ett flertal multidisciplinära områden skapa en länk mellan råvara (NFC) och egenskaper hos slutprodukten med hjälp av multiskalmodellering och experiment. Slutgiltligen, syftet är att minska produktionskostnaden för NFC-material. NFC-material (exempelvis filmer eller skum) är hierarkiska strukturer. Bredden på en nanocellulosafibrill är i storleksordningen nanometer och därmed är atomistisk struktur och egenskaper viktiga för materialet. Genom att införa en sofistikerad och väletablerad datormodelleringsteknik såsom MD, inriktar vi oss på att förbättra förståelsen av NFC på atomär nivå. Arbetsgång Huvudsökanden och en heltidsanställd doktorand kommer att utföra den huvudsakliga forskningen. Atomistiska datorsimuleringar med inriktning mot cellulosas finstruktur, växelverkan mellan cellulosafibriller och mekaniska egenskaper hos den modellerade fibrillen kommer att genomföras. Förväntade resultat Struktur och egenskaper hos NFC nätverksmaterial kommer att utforskas. Vi kommer att kvantifiera växelverkan mellan fibriller och integrera våra resultat med storskaligare modeller såsom molekylära modeller på större skala samt nätverksmodeller baserade på finita element-metoden.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.