Dalle auto e biciclette agli aeroplani e alle navette spaziali, i produttori di tutto il mondo stanno cercando di rendere questi veicoli più leggeri, che aiuta a ridurre il consumo di carburante e l'impatto ambientale.

Un modo in cui le auto, biciclette, gli aeroplani e altri mezzi di trasporto sono diventati più leggeri negli ultimi decenni utilizzando compositi in fibra di carbonio. La fibra di carbonio è cinque volte più resistente dell'acciaio, due volte più rigido, e sostanzialmente più leggero, rendendolo il materiale di produzione ideale per molte parti. Ma con l'industria che oggi si affida ai prodotti petroliferi per produrre fibra di carbonio, potremmo invece utilizzare fonti rinnovabili?

Nel numero di dicembre 2017 di Scienza , Gregg Beckham, un capogruppo presso il National Renewable Energy Laboratory (NREL), e un team interdisciplinare ha riportato i risultati di indagini sperimentali e computazionali sulla conversione della biomassa lignocellulosica in una sostanza chimica a base biologica chiamata acrilonitrile, il precursore chiave per la produzione di fibra di carbonio.

L'acrilonitrile è un prodotto chimico di grandi dimensioni, ed è realizzato oggi attraverso un complesso processo a base di petrolio su scala industriale. propilene, derivato dal petrolio o dal gas naturale, è mescolato con ammoniaca, ossigeno, e un catalizzatore complesso. La reazione genera elevate quantità di calore e acido cianidrico, un sottoprodotto tossico. Il catalizzatore utilizzato oggi per produrre l'acrilonitrile è anche piuttosto complesso e costoso, e i ricercatori non ne comprendono ancora appieno il meccanismo.

"Ecco dove entra in gioco il nostro studio, " Beckham ha detto. "I prezzi dell'acrilonitrile hanno visto grandi fluttuazioni in passato, che a sua volta ha portato a tassi di adozione inferiori per le fibre di carbonio per rendere più leggere automobili e aerei. Se riesci a stabilizzare il prezzo dell'acrilonitrile fornendo una nuova materia prima da cui ricavare l'acrilonitrile, in questo caso zuccheri da fonti rinnovabili da biomasse lignocellulosiche, potremmo essere in grado di rendere la fibra di carbonio più economica e più ampiamente adottata per le applicazioni di trasporto quotidiane".

Sviluppare nuove idee per realizzare la produzione di acrilonitrile da materie prime rinnovabili, il Dipartimento dell'Energia (DOE) ha sollecitato una proposta diversi anni fa che chiedeva:è possibile produrre acrilonitrile da materiale di scarto delle piante? Questi materiali includono stufato di mais, paglia di grano, paglia di riso, trucioli di legno, ecc. Sono fondamentalmente la parte non commestibile della pianta che può essere scomposta in zuccheri, che possono poi essere convertiti in una vasta gamma di prodotti a base biologica per l'uso quotidiano, come combustibili come l'etanolo o altri prodotti chimici.

"Se potessimo farlo in modo economicamente sostenibile, potrebbe potenzialmente disaccoppiare il prezzo dell'acrilonitrile dal petrolio e offrire un'alternativa in fibra di carbonio verde all'utilizzo di combustibili fossili, " ha detto Beckham.

Beckham e il team sono andati avanti per sviluppare un processo diverso. Il processo NREL prende gli zuccheri derivati ​​dai materiali vegetali di scarto e li converte in un intermedio chiamato acido 3-idrossipropionico (3-HP). Il team ha quindi utilizzato un semplice catalizzatore e una nuova chimica, nitrilazione soprannominata, per convertire 3-HP in acrilonitrile ad alte rese. Il catalizzatore utilizzato per la chimica della nitrilazione è circa tre volte meno costoso del catalizzatore utilizzato nel processo a base di petrolio ed è un processo più semplice. La chimica è endotermica quindi non produce calore in eccesso, e a differenza del processo a base di petrolio, non produce il sottoprodotto tossico acido cianidrico. Piuttosto, il processo a base biologica produce solo acqua e alcol come sottoprodotti.

Dal punto di vista della chimica verde, il processo di produzione di acrilonitrile a base biologica presenta molteplici vantaggi rispetto al processo a base di petrolio che viene utilizzato oggi. "Questo è il punto cruciale dello studio, " ha detto Beckham.

Il ruolo di XSEDE nella chimica

Beckham non è estraneo a XSEDE, l'eXtreme Science and Engineering Discovery Environment, finanziato dalla National Science Foundation. Ha utilizzato le risorse XSEDE, compreso Stampede1, ponti, Comet e ora Stampede2, per circa nove anni come investigatore principale. Stampede1 e Stampede2 (attualmente #12 nell'elenco Top500) sono implementati e gestiti dal Texas Advanced Computing Center.

La maggior parte della ricerca biologica e chimica condotta per questo progetto era sperimentale, ma il meccanismo della chimica della nitrilazione è stato solo inizialmente ipotizzato dal team. Un ricercatore post-dottorato nel team, Vassili Vorotnikov del NREL, è stato reclutato per eseguire calcoli periodici della teoria del funzionale della densità su Stampede1 e sulle macchine del NREL per chiarire il meccanismo di questa nuova chimica.

In circa due mesi e diversi milioni di ore di CPU utilizzate su Stampede1, the researchers were able to shed light on the chemistry of this new catalytic process. "The experiments and computations lined up nicely, " Vorotnikov said.

Because they had an allocation on Stampede1, they were able to rapidly turn around a complete mechanistic picture of how this chemistry works. "This will help us and others to develop this chemistry further and design catalysts and processes more rationally, " Vorotnikov said. "XSEDE and the predictions of Stampede1 are pointing the way forward on how to improve nitrilation chemistry, how we can apply it to other molecules, and how we can make other renewable products for industry."

"After the initial experimental discovery, we wanted to get this work out quickly, " Beckham continued. "Stampede1 afforded a great deal of bandwidth for doing these expensive, computationally intensive density functional theory calculations. It was fast and readily available and just a great machine to do these kind of calculations on, allowing us to turn around the mechanistic work in only a matter of months."

Next Steps

There's a large community of chemists, biologists and chemical engineers who are developing ways to make everyday chemicals and materials from plant waste materials instead of petroleum. Researchers have tried to do this before with acrylonitrile. But no one has been as successful in the context of developing high yielding processes with possible commercial potential for this particular product. With their new discovery, the team hopes this work makes the transition into industry sooner rather than later.

The immediate next step is scaling the process up to produce 50 kilograms of acrylonitrile. The researchers are working with several companies including a catalyst company to produce the necessary catalyst for pilot-scale operation; an agriculture company to help scale up the biology to produce 3-HP from sugars; a research institute to scale the separations and catalytic process; a carbon fiber company to produce carbon fibers from the bio-based acrylonitrile; and a car manufacturer to test the mechanical properties of the resulting composites.

"We'll be doing more fundamental research as well, " Beckham said. "Beyond scaling acrylonitrile production, we are also excited about is using this powerful, robust chemistry to make other everyday materials that people can use from bio-based resources. There are lots of applications for nitriles out there—applications we've not yet discovered."