Um dos maiores desafios globais é o uso eficiente de fontes renováveis ​​para atender à crescente demanda por energia e matérias-primas químicas no futuro. Nesse contexto, a biomassa é uma alternativa promissora às fontes fósseis existentes, como carvão ou petróleo. A celulose tem um papel decisivo aqui, porque é responsável pela maior fração do armazenamento natural de carbono. Esses reservatórios são cruciais para a produção de combustíveis e produtos químicos básicos. Para utilizar todo o seu potencial, a estrutura em cadeia da celulose deve ser quebrada. Isso pode ser feito por uma chamada reação de hidrólise, que, Contudo, é difícil devido à estrutura atômica da celulose e tem sido muito caro até agora.

Pesquisadores da Universidade de Münster (Alemanha) liderada pelo Dr. Saeed Amirjalayer e Prof. Harald Fuchs e da Universidade de Bochum liderada pelo Prof. Dominik Marx conseguiram agora identificar um novo mecanismo de reação no qual a celulose pode ser convertida de forma altamente eficiente usando força mecânica. Esta chamada reação mecanocatalítica pode levar ao desenvolvimento de um eficiente, Processo ecológico e econômico para a conversão de biomassa. O estudo foi publicado na revista Angewandte Chemie International Edition .

Informações de fundo e método:

Usando uma reação de hidrólise, a espinha dorsal da celulose pode ser dividida em blocos de construção moleculares individuais. Esses blocos de construção moleculares são a base real para a produção de combustíveis ou insumos químicos. Em sua busca por maneiras de tornar a reação de hidrólise mais eficiente, pesquisadores já encontraram evidências em estudos anteriores de que as forças mecânicas podem influenciar o processo de conversão.

Até agora, não foi possível elucidar a influência da força mecânica durante cada etapa de reação individual no nível atômico. Contudo, este nível de percepção é necessário para desenvolver um processo correspondente eficiente e eficiente em termos de recursos. No trabalho agora publicado, os cientistas mostram que o uso de força mecânica nas moléculas de celulose, acima de um certo nível, tem uma influência significativa na reação.

Para fazer isso, os nanocientistas realizaram a chamada modelagem atomística. Isso lhes permitiu seguir as etapas individuais da reação de hidrólise em detalhes e, ao mesmo tempo, aplicar uma força mecânica na estrutura molecular. Os pesquisadores calcularam os chamados perfis de energia, que descrevem o caminho da energia ao longo da coordenada de reação com e sem a influência de forças mecânicas. O que eles conseguiram mostrar é que o estresse da estrutura molecular da celulose teve uma forte influência na reação de hidrólise. Por um lado, a energia necessária para ativar o processo foi significativamente reduzida. Por outro lado, um aumento da força mecânica até mesmo tornava supérfluas duas das três etapas usuais de reação. “Por meio de nossos modelos atomísticos pudemos investigar explicitamente a influência da força mecânica no mecanismo de reação”, diz o autor principal Dr. Saeed Amirjalayer, que trabalha como líder de grupo no Instituto de Física da Universidade de Münster e no Centro de Nanotecnologia (CeNTech). "Isso nos permitiu elucidar uma via de reação anteriormente desconhecida e altamente eficiente para a conversão de celulose, " ele adiciona.

Os novos resultados não apenas confirmam as observações experimentais, mas também mostram o potencial de controlar processos moleculares com a ajuda da força mecânica. "Entre outras coisas, fomos capazes de mostrar que a chamada afinidade de prótons na celulose pode ser aumentada seletivamente por região por força mecânica, "Saeed Amirjalayer explica.

Os cientistas esperam, portanto, que este trabalho não só possibilite um processo eficiente e ecologicamente correto para a conversão da celulose, mas também levam ao desenvolvimento de novas substâncias responsivas à mecânica, como plásticos. Essas substâncias podem ser facilmente recicladas por forças mecânicas após o uso.