Grano, miglio e mais hanno tutti bisogno di azoto per crescere. I fertilizzanti contengono quindi grandi quantità di composti azotati, che vengono solitamente sintetizzati convertendo l'azoto in ammoniaca nel processo industriale Haber-Bosch, prende il nome dai suoi inventori. A questa tecnologia è attribuito il merito di aver nutrito fino alla metà dell'attuale popolazione mondiale.

L'aria è composta per quasi l'80% da azoto (N2) che è, però, estremamente poco reattivo, perché il legame tra i due atomi di azoto è molto stabile. Il processo Haber-Bosch rompe questo legame, conversione dell'azoto in ammoniaca (NH3) che può essere captata e utilizzata dalle piante. Questo passaggio richiede pressioni e temperature molto elevate ed è così energivoro che si stima consumi l'1% dell'energia primaria generata a livello globale.

"Quindi stavamo cercando un modo per dividere l'azoto che fosse energeticamente più favorevole, " spiega il professor Holger Braunschweig dell'Istituto di chimica inorganica della Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) in Baviera, Germania. Alcuni batteri dimostrano che funziona davvero:sono in grado di farlo a pressione e temperature normali utilizzando l'enzima nitrogenasi che catalizza la reazione con l'aiuto dei metalli di transizione ferro e molibdeno.

"Finora non siamo riusciti a riprodurre una specie di nitrogenasi, "Dice Braunschweig. "Così abbiamo iniziato a cercare un'alternativa:una molecola che sia in grado di catalizzare la reazione e non sia basata su metalli di transizione".

Il suo team ha studiato specifici composti contenenti boro, i cosiddetti borileni, per anni. Sono considerati potenziali candidati per un tale catalizzatore. Ma come dovrebbe essere strutturata esattamente la corrispondente molecola di borilene per questo scopo?

È noto che il ferro e il molibdeno nella nitrogenasi cedono elettroni alla molecola di azoto, un processo chiamato riduzione. Ciò provoca la rottura del legame tra i due atomi di N. Però, questo funziona solo perché i metalli di transizione sono una buona corrispondenza per la molecola di azoto:i loro orbitali, si trova lo spazio in cui sono passati gli elettroni durante la riduzione, si sovrappongono notevolmente a quelli dell'azoto a causa della loro disposizione spaziale.

Sulla base delle previsioni della meccanica quantistica, Il Dr. Marc-André Légaré dell'Institute of Inorganic Chemistry ha progettato un borylene con una disposizione orbitale simile. I risultati delle sue indagini sono stati poi testati sinteticamente presso l'istituto JMU.

E con successo così, poiché il borilene prodotto in questo modo era in grado di fissare l'azoto - e questo a temperatura ambiente e pressione dell'aria normale. "Per la prima volta, siamo stati in grado di dimostrare che anche i composti non metallici sono in grado di compiere questo passaggio, " sottolinea Legaré.

Però, ciò non significa che il processo Haber-Bosch stia per essere abolito. Per una cosa, non è certo che l'azoto ridotto possa staccarsi dal borilene senza distruggerlo. Però, questo passaggio è necessario per riciclare il catalizzatore in modo che sia disponibile per legarsi successivamente alla successiva molecola di azoto.

"Se questo alla fine produrrà un metodo energeticamente più favorevole è ancora una questione aperta, " dice il professor Braunschweig. "È solo il primo passo, anche se importante, sulla strada per raggiungere l'obiettivo finale".

I risultati dello studio, che è stato condotto in collaborazione con il gruppo di ricerca del professor Bernd Engels del JMU Institute for Physical and Theoretical Chemistry, sarà pubblicato nella rinomata Scienza rivista.