納米科學(xué)家應(yīng)用機械力(綠色箭頭)有效切割纖維素的分子結(jié)構(gòu)。結(jié)果，水解反應(yīng)發(fā)生了顯著變化。

圖片來源：Saeed Amirjalayer等人/ Angegen Chem

全球最大的挑戰(zhàn)之一是有效利用可再生能源，以滿足未來對能源和原料化學(xué)品不斷增長的需求。在這種情況下，生物質(zhì)是現(xiàn)有化石資源(如煤或石油)的有前途的替代品。纖維素在這里起著決定性作用，因為它占天然碳儲存的最大部分。這些水庫對燃料和基礎(chǔ)化學(xué)品的生產(chǎn)至關(guān)重要。為了充分發(fā)揮其潛力，必須打破纖維素的鏈狀結(jié)構(gòu)。這可以通過所謂的水解反應(yīng)來完成，然而，由于纖維素的原子結(jié)構(gòu)，這種反應(yīng)很難并且到目前為止非常昂貴。

由Saeed Amirjalayer博士和Harald Fuchs教授以及由Dominik Marx教授領(lǐng)導(dǎo)的波鴻大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的明斯特大學(xué)(德國)的研究人員現(xiàn)已成功地確定了一種新的反應(yīng)機制，其中纖維素可以高效轉(zhuǎn)化。機械力。這種所謂的機械催化反應(yīng)可以導(dǎo)致開發(fā)用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的有效，環(huán)境友好且成本有效的方法。該研究發(fā)表在Angewandte Chemie國際版期刊上。

背景資料和方法：

使用水解反應(yīng)，纖維素主鏈可以分解成單獨的分子結(jié)構(gòu)單元。這些分子結(jié)構(gòu)單元是生產(chǎn)燃料或化學(xué)原料的實際基礎(chǔ)。在尋找使水解反應(yīng)更有效的方法時，研究人員已經(jīng)在早期研究中發(fā)現(xiàn)機械力可以影響轉(zhuǎn)化過程的證據(jù)。

到目前為止，還不可能在原子水平上闡明每個單獨反應(yīng)步驟中機械力的影響。但是，需要這種洞察力來開發(fā)相應(yīng)的高效且資源有效的過程。在現(xiàn)在發(fā)表的著作中，科學(xué)家們表明，在一定程度上對纖維素分子使用機械力對反應(yīng)有顯著影響。

為此，納米科學(xué)家進行了所謂的原子建模。這使得它們能夠詳細地遵循水解反應(yīng)的各個步驟，同時對分子結(jié)構(gòu)施加機械力。研究人員計算了所謂的能量分布，它描述了在有和沒有機械力影響的情況下沿反應(yīng)坐標(biāo)的能量路徑。他們成功地表明，強調(diào)纖維素的分子骨架對水解反應(yīng)有很大的影響。一方面，激活該過程所需的能量顯著降低。另一方面，增加的機械力甚至使得通常的三個反應(yīng)步驟中的兩個變得多余。“

新結(jié)果不僅證實了實驗觀察結(jié)果，而且還顯示了借助機械力控制分子過程的潛力。“除其他外，我們能夠證明纖維素中所謂的質(zhì)子親和力可以通過機械力選擇性地增加，”Saeed Amirjalayer解釋說。

因此，科學(xué)家們希望這項工作不僅能夠?qū)崿F(xiàn)纖維素轉(zhuǎn)化的高效環(huán)保工藝，而且還能開發(fā)出新型機械響應(yīng)物質(zhì)，如塑料。這些物質(zhì)在使用后可通過機械力輕易回收。