Vete, hirs och majs behöver alla kväve för att växa. Gödsel innehåller därför stora mängder kvävehaltiga föreningar, som vanligtvis syntetiseras genom att omvandla kväve till ammoniak i den industriella Haber-Bosch-processen, uppkallad efter dess uppfinnare. Denna teknik är krediterad för att mata upp till hälften av världens nuvarande befolkning.

Luft består av nästan 80 procent kväve (N2), vilket är, dock, extremt oreaktiv, eftersom bindningen mellan de två kväveatomerna är mycket stabil. Haber-Bosch-processen bryter detta band, omvandla kväve till ammoniak (NH3) som kan tas upp och användas av växter. Detta steg kräver mycket höga tryck och temperaturer och är så energikrävande att det beräknas konsumera 1 procent av den primära energin som genereras globalt.

"Så vi letade efter ett sätt att dela kväve som är mer energimässigt gynnsamt, " förklarar professor Holger Braunschweig från Institutet för oorganisk kemi vid Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) i Bayern, Tyskland. Vissa bakterier visar att detta faktiskt fungerar:De kan göra det vid normalt tryck och temperaturer genom att använda nitrogenasenzymet som katalyserar reaktionen med hjälp av övergångsmetallerna järn och molybden.

"Vi har hittills misslyckats med att reproducera ett slags nitrogenas, Braunschweig säger. "Så vi började leta efter ett alternativ:en molekyl som kan katalysera reaktionen och inte är baserad på övergångsmetaller."

Hans team har studerat specifika borinnehållande föreningar, de så kallade borylenerna, i åratal. De anses vara potentiella kandidater för en sådan katalysator. Men exakt hur skulle motsvarande borylenmolekyl behöva struktureras för detta ändamål?

Järnet och molybdenet i nitrogenaset är känt för att ge bort elektroner till kvävemolekylen, en process som kallas reduktion. Detta gör att bindningen mellan de två N -atomerna bryts. Dock, detta fungerar bara för att övergångsmetallerna är en bra matchning för kvävemolekylen:deras orbitaler, det utrymme där elektronerna passerade under reduktionen kan hittas, överlappar avsevärt med kvävet på grund av deras rumsliga layout.

Baserat på kvantmekaniska förutsägelser, Dr Marc-André Légaré från Institutet för oorganisk kemi designade en borylen med ett liknande orbitalarrangemang. Resultaten av hans undersökningar testades sedan syntetiskt vid JMU-institutet.

Och framgångsrikt så, eftersom den på detta sätt framställda borylenen kunde fixera kväve - och det vid rumstemperatur och normalt lufttryck. "För första gången, vi kunde visa att icke-metalliska föreningar också är kapabla att utföra detta steg, " understryker Légaré.

Dock, detta betyder inte att Haber-Bosch-processen är på väg att avskaffas. För en sak, det är inte säkert att det reducerade kvävet kan lösgöras från borylen utan att förstöra det. Dock, detta steg är nödvändigt för att recirkulera katalysatorn så att den är tillgänglig för att binda till nästa kvävemolekyl därefter.

"Om detta i slutändan kommer att ge en metod som är mer gynnsam energimässigt är fortfarande en öppen fråga, " säger professor Braunschweig. "Det är bara det allra första steget, om än en stor sådan, på väg att nå det slutliga målet."

Resultaten av studien, som genomfördes i samarbete med professor Bernd Engels forskargrupp vid JMU-institutet för fysikalisk och teoretisk kemi, kommer att publiceras i den berömda Vetenskap tidskrift.