Gomma sintetica e plastica - utilizzata per la produzione di pneumatici, giocattoli e una miriade di altri prodotti - sono prodotti da butadiene, una molecola tradizionalmente ricavata dal petrolio o dal gas naturale. Ma quei materiali artificiali potrebbero diventare molto più ecologici presto, grazie all'ingegno di un team di scienziati di tre università di ricerca statunitensi.

Il team scientifico, dell'Università del Delaware, l'Università del Minnesota e l'Università del Massachusetts - ha inventato un processo per produrre butadiene da fonti rinnovabili come alberi, erbe e mais.

Le scoperte, ora in linea, sarà pubblicato nell'American Chemical Society's ACS Chimica e Ingegneria Sostenibili , una rivista leader in chimica verde e ingegneria. Gli autori dello studio sono tutti affiliati al Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI) con sede presso l'Università del Delaware. CCEI è un Energy Frontier Research Center finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

"Il nostro team ha combinato un catalizzatore che abbiamo scoperto di recente con una nuova ed entusiasmante chimica per trovare il primo ad alto rendimento, metodo a basso costo di produzione di butadiene, " afferma il direttore della CCEI Dionisios Vlachos, l'Allan e Myra Ferguson Professore di ingegneria chimica e biomolecolare all'UD e coautore dello studio. "Questa ricerca potrebbe trasformare le industrie della plastica e della gomma multimiliardari".

Il butadiene è il principale componente chimico in un'ampia gamma di materiali presenti in tutta la società. Quando questa molecola a quattro atomi di carbonio subisce una reazione chimica per formare lunghe catene chiamate polimeri, si forma la gomma stirene-butadiene (SBR), che viene utilizzato per realizzare pneumatici per automobili resistenti all'abrasione. Quando miscelato per produrre gomma nitrile butadiene (NBR), diventa il componente chiave nei tubi flessibili, guarnizioni e i guanti di gomma onnipresenti negli ambienti medici.

Nel mondo della plastica, il butadiene è il principale componente chimico dell'acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS), una plastica dura che può essere modellata in forme rigide. La robusta plastica ABS viene utilizzata per realizzare console per videogiochi, parti automobilistiche, articoli sportivi, dispositivi medici e mattoncini giocattolo in plastica ad incastro, tra gli altri prodotti.

Gli ultimi 10 anni hanno visto uno spostamento verso un focus di ricerca accademica su prodotti chimici rinnovabili e butadiene, in particolare, data la sua importanza nei prodotti commerciali, dice Vlachos.

"Il successo del nostro team deriva dalla nostra filosofia che collega la ricerca in nuovi materiali catalitici con un nuovo approccio alla chimica, " dice Vlachos. "Questo è un ottimo esempio in cui il gruppo di ricerca è stato maggiore della somma delle sue parti".

Una nuova chimica in tre fasi

La nuova chimica includeva un processo in tre fasi a partire da zuccheri derivati ​​dalla biomassa. Utilizzando la tecnologia sviluppata all'interno di CCEI, il team ha convertito gli zuccheri in un composto ad anello chiamato furfurale. Nella seconda fase, il team ha ulteriormente elaborato il furfurale in un altro composto ad anello chiamato tetraidrofurano (THF).

È stato nella terza fase che il team ha trovato la rivoluzionaria tecnologia di produzione chimica. Utilizzando un nuovo catalizzatore chiamato "zeolite fosforosa interamente in silice, "sviluppato all'interno del centro, il team è stato in grado di convertire il THF in butadiene con un alto rendimento (superiore al 95 percento).

Il team ha chiamato questo nuovo, reazione selettiva "deidra-deciclizzazione" per rappresentare la sua capacità di rimuovere contemporaneamente l'acqua e aprire contemporaneamente i composti dell'anello.

"Abbiamo scoperto che i catalizzatori a base di fosforo supportati da silice e zeoliti mostrano un'elevata selettività per la produzione di sostanze chimiche come il butadiene, " afferma il prof. Wei Fan dell'Università del Massachusetts Amherst. "Quando si confronta la loro capacità di controllare determinati usi della chimica industriale con quella di altri catalizzatori, i materiali al fosforo sembrano davvero unici e completano perfettamente il set di catalizzatori che abbiamo sviluppato alla CCEI."

L'invenzione della gomma rinnovabile fa parte della missione più ampia di CCEI. Avviato nel 2009, CCEI si è concentrata sulla tecnologia catalitica di trasformazione per produrre prodotti chimici e biocarburanti rinnovabili da fonti di biomassa naturale.

"Questa nuova tecnologia espande in modo significativo la lista di molecole che possiamo ottenere dalla lignocellulosa, " afferma il prof. Paul Dauenhauer dell'Università del Minnesota, che è co-direttore del CCEI e co-autore dello studio.