Mechanics of Bioderived-Cellulose-Based Ultra-Strong and Ultra-Tough Materials

生物纤维素基超强超韧材料的力学

基本信息

  • 批准号:
    1936452
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 45万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-08-01 至 2024-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This research program will focus on exploring design strategies to achieve ultra-strong and ultra-tough materials based on bioderived cellulose. Cellulose is the most abundant biopolymer on Earth and has long been used to produce paper products. Cellulose has remarkable mechanical properties, making it as a promising building block for high performance functional and structural materials. While plants are the common source of cellulose, it requires extra physical and chemical processing to isolate and purify cellulose from plants, and such processing can potentially decrease the mechanical performance of plant cellulose. Moreover, trees often take years or decades to mature, posing substantial time cost to plant cellulose. Bioderived Cellulose produced through a microscopic organism enabled fermentation process is chemically 100% pure with much better properties than plant cellulose and can be obtained at industrial scale at a low cost within days. This research program aims to use both experimental and computational studies to investigate the fundamental science that governs the superb mechanical properties of bioderived cellulose. The success of this research program can potentially lead to a low-cost and long-sought solution in designing high performance engineering materials. The research will also be complemented by establishing a well-rounded educational and outreach program including research opportunities for graduate and undergraduate students, internship for underrepresented minority high school students, public outreach at the annual Maryland Day, and research dissemination via cyberinfrastructure. The specific goal of this research program is (a) to explore a promising but largely unexplored strategy to enhance the mechanical properties of bioderived cellulose materials via ion infiltration, and (b) to decipher the fundamental correlation of the superb mechanical properties of bioderived cellulose materials with cellulose fiber length/alignment and water content. The research will be conducted via a coherent research framework integrating experiments and multiscale modeling. By revealing the fundamental science of the superb intrinsic mechanical properties of cellulose, the project holds promise to drive a paradigm shift in the usage of cellulose beyond its conventional way. The new knowledge generated from this research program will shed light fertile opportunities to exploit the full potential of the intrinsic superb mechanical properties of cellulose, the most abundant biopolymer on Earth. The fundamental scientific understanding emerging from this study can enrich the disciplines of mechanics of materials with multiple tantalizing research frontiers and be readily adapted and generalized to other material systems.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该研究计划将重点探索设计策略,以实现基于生物纤维素的超强和超韧材料。纤维素是地球上最丰富的生物聚合物,长期以来一直用于生产纸制品。纤维素具有卓越的机械性能,使其成为高性能功能和结构材料的有前途的基础材料。虽然植物是纤维素的常见来源,但需要额外的物理和化学处理来从植物中分离和纯化纤维素,并且这种处理可能会降低植物纤维素的机械性能。此外,树木通常需要数年或数十年才能成熟,这给植物纤维素带来了大量的时间成本。通过微生物发酵过程生产的生物源纤维素具有 100% 的化学纯度,具有比植物纤维素更好的特性,并且可以在几天内以低成本以工业规模获得。该研究计划旨在利用实验和计算研究来研究控制生物纤维素卓越机械性能的基础科学。该研究计划的成功可能会带来设计高性能工程材料方面长期寻求的低成本解决方案。该研究还将通过建立全面的教育和推广计划来补充,包括为研究生和本科生提供研究机会、为代表性不足的少数族裔高中生提供实习机会、在一年一度的马里兰日进行公众推广,以及通过网络基础设施传播研究成果。该研究计划的具体目标是(a)探索一种有前途但很大程度上尚未探索的策略,通过离子渗透增强生物源纤维素材料的机械性能,以及(b)破译生物源纤维素材料的卓越机械性能之间的基本相关性与纤维素纤维长度/排列和水含量。该研究将通过整合实验和多尺度建模的连贯研究框架进行。通过揭示纤维素卓越的内在机械性能的基础科学,该项目有望推动纤维素的使用超越传统方式的范式转变。该研究项目产生的新知识将为充分利用纤维素(地球上最丰富的生物聚合物)固有的卓越机械性能的潜力提供丰富的机会。这项研究产生的基本科学理解可以丰富材料力学学科,具有多个诱人的研究前沿,并且很容易适应和推广到其他材料系统。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的评估进行评估,被认为值得支持。智力价值和更广泛的影响审查标准。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
EML Webinar Overview: Advanced materials toward a sustainable future—Mechanics design
  • DOI:
    10.1016/j.eml.2020.101107
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Teng Li
  • 通讯作者:
    Teng Li
Recent Advances in Functional Materials through Cellulose Nanofiber Templating
  • DOI:
    10.1002/adma.202005538
  • 发表时间:
    2021-02-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    29.4
  • 作者:
    Lamm, Meghan E.;Li, Kai;Ozcan, Soydan
  • 通讯作者:
    Ozcan, Soydan
Alignment of Cellulose Nanofibers: Harnessing Nanoscale Properties to Macroscale Benefits
  • DOI:
    10.1021/acsnano.0c07613
  • 发表时间:
    2021-02-18
  • 期刊:
  • 影响因子:
    17.1
  • 作者:
    Li, Kai;Clarkson, Caitlyn M.;Ozcan, Soydan
  • 通讯作者:
    Ozcan, Soydan
Flaw sensitivity of cellulose paper
  • DOI:
    10.1016/j.eml.2022.101865
  • 发表时间:
    2022-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Qiongyu Chen;Bo Chen;Shuangshuang Jing;Yu Liu;Teng Li
  • 通讯作者:
    Qiongyu Chen;Bo Chen;Shuangshuang Jing;Yu Liu;Teng Li
Mechanics of cellulose nanopaper using a scalable coarse-grained modeling scheme
  • DOI:
    10.1007/s10570-021-03740-x
  • 发表时间:
    2021-03-02
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.7
  • 作者:
    Ray, Upamanyu;Pang, Zhenqian;Li, Teng
  • 通讯作者:
    Li, Teng
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  • 通讯作者:
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    0
  • 作者:
    H. Pan;Teng Li;Shi Liang Yang;Y. Liu
  • 通讯作者:
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