Tietokonemallinnuksesta apua nanosellun valmistukseen

Laskennallisilla menetelmillä voidaan kasvattaa ymmärrystä siitä, mitä selluloosan molekyylitasolla tapahtuu.

VTT:n tutkija Antti Paajanen on erikoistunut laskennalliseen materiaalifysiikkaan, jossa tutkitaan materiaalien ominaisuuksia tietokonesimulaatioiden avulla. Helsingin yliopiston Matemaattis-luonnontieteelliseen tiedekuntaan tekemässään väitöskirjassa hän tutki laskennallisen fysiikan menetelmien soveltuvuutta selluloosan molekyylitason sekä nanometrimittakaavan rakenteen tutkimukseen. 

Väitöstyö alkoi hänen työskennellessään paloturvallisuuteen ja palotutkimukseen liittyvässä ryhmässä VTT:llä.

”Selluloosalla on puun keskeisenä kemiallisena komponenttina iso merkitys puun palamisessa. Tutkimme, miten selluloosa hajoaa korkeissa lämpötiloissa ja sitä kautta vapauttaa palavia kaasuja”, hän kertoo. 

Kokeellisesti on pystytty selvittämään monia hajoamisprosessin keskeisiä piirteitä, mutta mallinnuksen avulla hajoamisketjuja pyritään tutkimaan entistä tarkemmin.

Nanosellun rakenteesta 3D-tulostukseen

Seuraavaksi tutkittiin, voisiko samoilla menetelmillä löytää vastauksia myös esimerkiksi nanoselluloosan valmistukseen liittyviin kysymyksiin.

”Tutkimme esimerkiksi, miten kemialliset käsittelyt, joilla sellukuidut saadaan hajoamaan pienemmällä energialla, vaikuttavat – eli millaisiin mekanismeihin energiantarpeen väheneminen perustuu.”

Myöhemmin katse tarkennettiin puun soluseinän nanometrimittakaavan rakenteeseen, jossa on vielä paljon avoimia kysymyksiä. 

Neljäs tutkimussuunta liittyi hankkeeseen, jossa tutkittiin mahdollisuutta käyttää nanosellupohjaisia hydrogeelejä kustomoitujen haavatyynyjen valmistukseen.

Tulokset lupaavia

”Tutkin mallinnuksen avulla 3D-tulostuksessa käytettävien nanosellugeelien virtausominaisuuksia, jotta tulostettavuutta voitaisiin hallita paremmin.”

Mallinnuksen tulokset olivat lupaavia kautta linjan, ja ne vastasivat kirjallisuudesta kerättyä kokeellista evidenssiä.

”On tilanteita, joissa kokeellinen tutkimus ei syystä tai toisesta ole mahdollista. Laskennallisin menetelmin pyritään ylittämään kokeellisen tutkimuksen rajat, mutta tämä edellyttää mallien ennustuskyvyn perusteellista arviointia”, Paajanen sanoo.

Mallinnuksen avulla pyritään ymmärtämään paremmin, mitä sellun hienorakenteen tasolla tapahtuu, ja se antaa entistä paremmat lähtökohdat hallita siihen liittyviä prosesseja.

Antti Paajanen, 2020:
Computational Studies on Cellulose: Pyrolysis, Nano-structure and Hydrodynamic Behaviour. University of Helsinki, Faculty of Science, Doctoral Programme in Materials Research and Nanoscience, Doctoral dissertation (article-based).

Teksti Katariina Krabbe
Kuva Netzsch

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *