Uno de los mayores desafíos globales es el uso eficiente de fuentes renovables para satisfacer la creciente demanda de energía y materias primas químicas en el futuro. En este contexto, La biomasa es una alternativa prometedora a las fuentes fósiles existentes, como el carbón o el petróleo. La celulosa juega aquí un papel decisivo, porque representa la mayor fracción del almacenamiento natural de carbono. Estos depósitos son cruciales para la producción tanto de combustibles como de productos químicos básicos. Para aprovechar todo su potencial, la estructura en forma de cadena de la celulosa debe romperse. Esto se puede hacer mediante la llamada reacción de hidrólisis, cuales, sin embargo, es difícil debido a la estructura atómica de la celulosa y hasta ahora ha sido muy costoso.

Investigadores de la Universidad de Münster (Alemania) dirigidos por el Dr. Saeed Amirjalayer y el Prof. Harald Fuchs y de la Universidad de Bochum dirigida por el Prof.Dominik Marx han logrado identificar un nuevo mecanismo de reacción en el que la celulosa se puede convertir de manera altamente eficiente utilizando fuerza mecánica. Esta reacción denominada mecanocatalítica podría conducir al desarrollo de una Proceso ecológico y rentable para la conversión de biomasa. El estudio ha sido publicado en la revista Edición internacional Angewandte Chemie .

Información de antecedentes y método:

Usando una reacción de hidrólisis, la columna vertebral de la celulosa se puede descomponer en un bloque de construcción molecular individual. Estos bloques de construcción moleculares son la base real para producir combustibles o materias primas químicas. En su búsqueda de formas de hacer que la reacción de hidrólisis sea más eficiente, Los investigadores ya han encontrado evidencia en estudios anteriores de que las fuerzas mecánicas pueden influir en el proceso de conversión.

Hasta ahora no ha sido posible dilucidar la influencia de la fuerza mecánica durante cada paso de reacción individual a nivel atómico. Sin embargo, este nivel de conocimiento es necesario para desarrollar un proceso correspondiente eficiente y eficiente en el uso de recursos. En el trabajo ahora publicado, los científicos muestran que el uso de fuerza mecánica sobre las moléculas de celulosa, sobre un cierto nivel, tiene una influencia significativa en la reacción.

Para hacerlo los nanocientíficos llevaron a cabo el llamado modelado atomístico. Esto les permitió seguir los pasos individuales de la reacción de hidrólisis en detalle y al mismo tiempo aplicar una fuerza mecánica sobre la estructura molecular. Los investigadores calcularon los llamados perfiles de energía, que describen la ruta de energía a lo largo de la coordenada de reacción con y sin la influencia de fuerzas mecánicas. Lo que lograron demostrar es que el estrés en la columna vertebral molecular de la celulosa tuvo una fuerte influencia en la reacción de hidrólisis. Por un lado, la energía necesaria para activar el proceso se redujo significativamente. Por otra parte, un aumento de la fuerza mecánica incluso hizo superfluos dos de los tres pasos habituales de reacción. "Mediante nuestros modelos atomísticos podríamos investigar explícitamente la influencia de la fuerza mecánica en el mecanismo de reacción", dice el autor principal, el Dr. Saeed Amirjalayer, quien trabaja como líder de grupo en el Instituto de Física de la Universidad de Münster y en el Centro de Nanotecnología (CeNTech). "Esto nos permitió dilucidar una vía de reacción altamente eficiente y previamente desconocida para la conversión de celulosa, " él añade.

Los nuevos resultados no solo confirman las observaciones experimentales, pero también muestran el potencial para controlar procesos moleculares con la ayuda de la fuerza mecánica. "Entre otras cosas, pudimos demostrar que la llamada afinidad de protones en la celulosa se puede aumentar de forma selectiva por región mediante la fuerza mecánica, ", Explica Saeed Amirjalayer.

Por lo tanto, los científicos esperan que este trabajo no solo permita un proceso eficiente y respetuoso con el medio ambiente para la conversión de celulosa, sino que también conducen al desarrollo de nuevas sustancias mecanosensibles, como los plásticos. Estas sustancias podrían reciclarse fácilmente mediante fuerzas mecánicas después de su uso.