Una delle maggiori sfide globali è l'uso efficiente delle fonti rinnovabili per soddisfare in futuro la crescente domanda di energia e materie prime chimiche. In tale contesto, la biomassa è un'alternativa promettente alle fonti fossili esistenti come carbone o petrolio. La cellulosa gioca qui un ruolo decisivo, perché rappresenta la frazione più grande dello stoccaggio naturale del carbonio. Questi serbatoi sono cruciali per la produzione sia di combustibili che di prodotti chimici di base. Per sfruttare appieno il suo potenziale, la struttura a catena della cellulosa deve essere spezzata. Questo può essere fatto mediante una cosiddetta reazione di idrolisi, quale, però, è difficile a causa della struttura atomica della cellulosa ed è stato finora molto costoso.

I ricercatori dell'Università di Münster (Germania) diretti dal Dr. Saeed Amirjalayer e dal Prof. Harald Fuchs e dell'Università di Bochum guidata dal Prof. Dominik Marx sono ora riusciti a identificare un nuovo meccanismo di reazione in cui la cellulosa può essere convertita in modo altamente efficiente utilizzando forza meccanica. Questa cosiddetta reazione meccano-catalitica potrebbe portare allo sviluppo di un efficiente, processo ecologico ed economico per la conversione della biomassa. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Angewandte Chemie Edizione Internazionale .

Informazioni di base e metodo:

Utilizzando una reazione di idrolisi, la spina dorsale di cellulosa può essere suddivisa in singoli blocchi molecolari. Questi elementi costitutivi molecolari sono la base effettiva per la produzione di combustibili o materie prime chimiche. Nella loro ricerca di modi per rendere più efficiente la reazione di idrolisi, i ricercatori hanno già trovato prove in studi precedenti che le forze meccaniche possono influenzare il processo di conversione.

Finora non è stato possibile chiarire l'influenza della forza meccanica durante ogni singola fase di reazione a livello atomico. Però, questo livello di conoscenza è necessario per sviluppare un corrispondente processo efficiente ed efficiente in termini di risorse. Nel lavoro ora pubblicato, gli scienziati mostrano che l'uso della forza meccanica sulle molecole di cellulosa, oltre un certo livello, ha un'influenza significativa sulla reazione.

Fare così, i nanoscienziati hanno effettuato la cosiddetta modellazione atomistica. Questi hanno permesso loro di seguire in dettaglio le singole fasi della reazione di idrolisi e allo stesso tempo di applicare una forza meccanica sulla struttura molecolare. I ricercatori hanno calcolato i cosiddetti profili energetici, che descrivono il percorso energetico lungo la coordinata di reazione con e senza l'influenza delle forze meccaniche. Quello che sono riusciti a dimostrare è che lo stress della struttura molecolare della cellulosa ha avuto una forte influenza sulla reazione di idrolisi. Da una parte, l'energia necessaria per attivare il processo è stata notevolmente ridotta. D'altra parte, una maggiore forza meccanica rendeva addirittura superflui due dei soliti tre stadi di reazione. "Per mezzo dei nostri modelli atomistici potremmo investigare esplicitamente l'influenza della forza meccanica sul meccanismo di reazione", afferma l'autore principale Dr. Saeed Amirjalayer, che lavora come capogruppo presso l'Istituto di Fisica dell'Università di Münster e presso il Center for Nanotechnology (CeNTech). "Questo ci ha permesso di chiarire un percorso di reazione precedentemente sconosciuto e altamente efficiente per la conversione della cellulosa, " Aggiunge.

I nuovi risultati non solo confermano le osservazioni sperimentali, ma mostrano anche il potenziale per controllare i processi molecolari con l'aiuto della forza meccanica. "Tra l'altro, siamo stati in grado di dimostrare che la cosiddetta affinità protonica nella cellulosa può essere aumentata in modo selettivo regione per forza meccanica, "Spiega Saeed Amirjalayer.

Gli scienziati sperano quindi che questo lavoro non solo consentirà un processo efficiente ed ecologico per la conversione della cellulosa, ma anche portare allo sviluppo di nuove sostanze meccano-reattive, come le plastiche. Queste sostanze potrebbero essere facilmente riciclate da forze meccaniche dopo l'uso.