En av de största globala utmaningarna är effektiv användning av förnybara källor för att möta den ökande efterfrågan på energi och råvarukemikalier i framtiden. I detta sammanhang, biomassa är ett lovande alternativ till befintliga fossila källor som kol eller olja. Cellulosa spelar en avgörande roll här, eftersom det står för den största andelen av det naturliga kollagret. Dessa reservoarer är avgörande för produktion av både bränslen och basiska kemikalier. För att kunna utnyttja sin fulla potential, den kedjeliknande strukturen av cellulosa måste brytas upp. Detta kan göras genom en så kallad hydrolysreaktion, som, dock, är svårt på grund av cellulosans atomstruktur och har varit mycket kostsamt hittills.

Forskare vid universitetet i Münster (Tyskland) med Dr. Saeed Amirjalayer och Prof. mekanisk kraft. Denna så kallade mekanokatalytiska reaktion kan leda till utveckling av en effektiv, miljövänlig och kostnadseffektiv process för omvandling av biomassa. Studien har publicerats i tidskriften Angewandte Chemie International Edition .

Bakgrundsinformation och metod:

Med hjälp av en hydrolysreaktion, cellulosa -ryggraden kan brytas ned i individuella molekylära byggstenar. Dessa molekylära byggstenar är den faktiska grunden för att producera bränslen eller kemiska råvaror. I deras sökning efter sätt att göra hydrolysreaktionen mer effektiv, forskare har redan hittat bevis i tidigare studier på att mekaniska krafter kan påverka omvandlingsprocessen.

Hittills har det inte varit möjligt att belysa påverkan av mekanisk kraft under varje enskilt reaktionssteg på atomnivå. Dock, denna nivå av insikt behövs för att utveckla en motsvarande effektiv och resurseffektiv process. I det nu publicerade verket, forskarna visar att användningen av mekanisk kraft på cellulosamolekylerna, över en viss nivå, har ett betydande inflytande på reaktionen.

Att göra så, nanovetenskaparna utförde så kallad atomistisk modellering. Dessa gjorde det möjligt för dem att följa de enskilda stegen i hydrolysreaktionen i detalj och samtidigt applicera en mekanisk kraft på molekylstrukturen. Forskarna beräknade så kallade energiprofiler, som beskriver energibanan längs reaktionskoordinaten med och utan påverkan av mekaniska krafter. Vad de lyckades visa är att betoning av cellulosans molekylära ryggrad hade ett starkt inflytande på hydrolysreaktionen. Å ena sidan, energin som krävs för att aktivera processen minskades avsevärt. Å andra sidan, en ökad mekanisk kraft gjorde till och med två av de vanliga tre reaktionsstegen överflödiga. "Med hjälp av våra atomistiska modeller kunde vi uttryckligen undersöka påverkan av mekanisk kraft på reaktionsmekanismen", säger ledande författare Dr Saeed Amirjalayer, som arbetar som gruppledare vid Institute of Physics vid Münster University och vid Center for Nanotechnology (CeNTech). "Detta gjorde att vi kunde belysa en tidigare okänd och mycket effektiv reaktionsväg för omvandling av cellulosa, " han lägger till.

De nya resultaten bekräftar inte bara de experimentella observationerna, men också visa potentialen att kontrollera molekylära processer med hjälp av mekanisk kraft. "Bland annat, vi kunde visa att den så kallade protonaffiniteten i cellulosa kan ökas region-selektivt med mekanisk kraft, "Saeed Amirjalayer förklarar.

Forskarna hoppas därför att detta arbete inte bara kommer att möjliggöra en effektiv och miljövänlig process för omvandling av cellulosa, men också leda till utvecklingen av nya mechano-responsiva ämnen, som plast. Dessa ämnen kan lätt återvinnas av mekaniska krafter efter användning.