Cellulose is a remarkable organic biopolymer and sustainable raw material existing in nature. Over the past several decades, the study of cellulose materials has attracted significant attention in chemistry, physics, biomedicine, and engineering fields. The unique properties of cellulose such as high tensile strength, biocompatibility, and renewability, enabled its applications in numerous industries, including textiles, construction, biomedicine, pulp production, energy, and even electronics. However, in-depth research on the performance of cellulose-based materials and devices is still in high demand due to the complexity of cellulose and its derivatives.  

This thesis uses a theoretical modelling method to explore the cellulose-based materials structure, morphology and properties, and predict cellulose-based devices performance. The method is efficacious in understanding natural phenomena and solving practical problems through mathematical modelling, computer engineering, and data analysis.  

This thesis focuses on three computational studies: (I) cellulose nanomaterials, (II) cellulose composites, and (III) cellulose-based ion exchange membranes in aqueous organic redox flow batteries (AORFBs). The first part presents theoretical insights into cellulose nanocrystal (CNC), surface modifications, and regenerated cellulose. The second part includes numerical models of light propagation in cellulose composites such as transparent wood, and the third part involves modelling and simulation of AORFBs.  

In part (I), we constructed Martini 3 coarse-grained (CG) molecular dynamics (MD) models describing different crystalline structure of CNCs (including I_β/II/III_I). Subsequently, we investigated the dispersion and aggregation properties of COO⁻ modified CNC I_β in NaCl aqueous solutions and found that the results are consistent with experimental observations. Also, based on topologies developed for cellulose I_β/II, we studied the regeneration process of cellulose crystallites. The X-ray diffraction (XRD) was used to monitor structural changes and microcrystal formation during regeneration. The XRD results indicate that the regenerated cellulose crystallites are cellulose II, which are in line with the experimental measurements. In part (II), we explored light propagation in transparent wood (TW), i.e., cellulose/PMMA composite materials, using TW models developed by us. The models were built by identifying cellulose fiber structures in SEM images. We employed ray tracing, a relatively simple but proven accurate and efficient technique, and rigorous electromagnetic methods to analyze the light propagation in TW and extract the refractive index of the TW. In part (III), we constructed a model of an AORFB based on the Tertiary-Current-Distribution/Nernst-Planck equations implemented in COMSOL. Then we simulated the charge-discharge and capacity loss curves of the AORFBs. The simulation results are consistent with the experimental measurements.  

We believe that the results reported in the thesis provide better understanding of cellulose-based materials and devices, advance the computational methods for modelling and simulations of cellulose, and promote the sustainable development of technology and industry. 

Cellulosa är ett av de mest förekommande materialen på jorden och finns främst i trä, halm, bomull, lin med mera. Cellulosaprodukter som textilier och papper har använts i tusentals år. På senare år, med framstegen inom materialvetenskap och teknik, kan hållbara cellulosamaterial, inklusive naturlig cellulosa och regenererad cellulosa, användas inom förnybar energi, miljöskydd, biomedicin och många andra områden. Fortsatt fördjupad förståelse och forskning om cellulosa och dess kompositmaterial är dock fortfarande nödvändig.  

Denna avhandling använder teoretisk modellering för att undersöka struktur, morfologi och egenskaper hos cellulosa-baserade material samt för att förutsäga prestanda för cellulosa-baserade komponenter. Metoden är effektiv för att förstå naturliga fenomen och lösa praktiska problem genom datormodellering, simulering och dataanalys.  

Avhandlingen består av tre delar: (I) cellulosa-nanomaterial, (II) cellulosa-kompositmaterial och (III) cellulosa jonbytesmembran i vattenhaltiga organiska redox flödesbatterier (AORFB). Den första delen behandlar teoretiska insikter i cellulosa-nanokristaller (CNC), ytmodifieringar och regenererad cellulosa. Den andra delen inkluderar numeriska modeller för ljusutbredning i cellulosa-kompositer, och den tredje delen presenterar modellering och simulering av AORFB.  

I den första delen konstruerade vi modeller av CNC för att analysera deras struktur, morfologi och egenskaper. Vi undersökte dispersionen och aggregeringen av COO− modifierade CNC i vattenlösningar av NaCl och fann att resultaten överensstämmer med experimentella observationer. Därefter undersökte vi cellulosa-regenerering och använde röntgendiffraktion (XRD) för att övervaka mikrostrukturella förändringar under denna process. XRD-resultaten visar att de regenererade cellulosakristalliterna har cellulosa II-struktur, vilket överensstämmer med experimentella mätningar. I den andra delen studerade vi ljusutbredning i genomskinligt trä (TW). TW framställdes genom att ersätta lignin i trä med ett kemiskt material vars brytningsindex är nära cellulosans. Vi undersökte förhållandet mellan ljusspridning i TW och brytningsindexet för kemiska material med hjälp av spårning av ljusstrålar och rigorösa elektromagnetiska metoder. I den tredje delen konstruerade vi en modell för AORFB baserat på elektrokemiska ekvationer. Vi studerade laddnings- och urladdningskurvor samt kapacitetsförlusten för AORFB. Simuleringsresultaten överensstämmer med experimentella mätningar.  

Denna avhandling främjar förståelsen för cellulosa-baserade material och komponenter och främjar hållbar utveckling av teknik och industri.