Predictive Multiscale Modeling of Nanocellulose Based Materials and Systems
Notice bibliographique
Résumé
Cellulose Nanocrysals (CNC) is a renewable biodegradable biopolymer with outstanding mechanical properties made from highly abundant natural source, and therefore is very attractive as reinforcing additive to replace petroleum-based plastics in biocomposite materials, foams, and gels. Large-scale applications of CNC are currently limited due to its low solubility in non-polar organic solvents used in existing polymerization technologies. The solvation properties of CNC can be improved by chemical modification of its surface. Development of effective surface modifications has been rather slow because extensive chemical modifications destabilize the hydrogen bonding network of cellulose and deteriorate the mechanical properties of CNC. We employ predictive multiscale theory, modeling, and simulation to gain a fundamental insight into the effect of CNC surface modifications on hydrogen bonding, CNC crystallinity, solvation thermodynamics, and CNC compatibilization with the existing polymerization technologies, so as to rationally design green nanomaterials with improved solubility in non-polar solvents, controlled liquid crystal ordering and optimized extrusion properties. An essential part of this multiscale modeling approach is the statistical- mechanical 3D-RISM-KH molecular theory of solvation, coupled with quantum mechanics, molecular mechanics, and multistep molecular dynamics simulation. The 3D-RISM-KH theory provides predictive modeling of both polar and non-polar solvents, solvent mixtures, and electrolyte solutions in a wide range of concentrations and thermodynamic states. It properly accounts for effective interactions in solution such as steric effects, hydrophobicity and hydrophilicity, hydrogen bonding, salt bridges, buffer, co-solvent, and successfully predicts solvation effects and processes in bulk liquids, solvation layers at solid surface, and in pockets and other inner spaces of macromolecules and supramolecular assemblies. This methodology enables rational design of CNC-based bionanocomposite materials and systems. Furthermore, the 3D-RISM-KH based multiscale modeling addresses the effect of hemicellulose and lignin composition on nanoscale forces that control cell wall strength towards overcoming plant biomass recalcitrance. It reveals molecular forces maintaining the cell wall structure and provides directions for genetic modulation of plants and pretreatment design to render biomass more amenable to processing. We envision integrated biomass valorization based on extracting and decomposing the non-cellulosic components to low molecular weight chemicals and utilizing the cellulose microfibrils to make CNC. This is an important alternative to approaches of full conversion of lignocellulose to biofuels that face challenges arising from the deleterious impact of cellulose crystallinity on enzymatic processing.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».