Uno de los mayores desafíos globales es el uso eficiente de fuentes renovables para satisfacer la creciente demanda de energía y sustancias 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 un papel decisivo aquí, porque representa la mayor fracción del almacenamiento de carbono natural. Estos reservorios son cruciales para la producción de combustibles y productos químicos básicos. Para poder utilizar todo su potencial, la estructura de celulosa con forma de cadena debe romperse. Esto puede hacerse mediante la llamada reacción de hidrólisis, que, sin embargo, es difícil debido a la estructura atómica de la celulosa y hasta ahora ha sido muy costosa.
Investigadores de la Universidad de Münster (Alemania) encabezados por el Dr. Saeed Amirjalayer y el Prof. Harald Fuchs y la Universidad de Bochum encabezados por el Prof. Dominik Marx han logrado identificar un nuevo mecanismo de reacción en el que la celulosa se puede convertir de manera muy eficiente utilizando mecánica de fuerza . Esta llamada reacción mecano catalítica podría llevar al desarrollo de un proceso eficiente, respetuoso con el medio ambiente y rentable para la conversión de biomasa. El estudio ha sido publicado en la revista Angewandte Chemie International Edition.
Información de fondo y método:
Usando una reacción de hidrólisis, el esqueleto de celulosa se puede descomponer en un bloque de construcción molecular individual. Estos bloques de construcción molecular son la base real para producir combustibles o materias primas químicas. En su búsqueda de formas para 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.
La biomasa es una alternativa prometedora a las fuentes fósiles existentes, como el carbón o el petróleo.
Hasta ahora no ha sido posible dilucidar la influencia de la fuerza mecánica durante cada paso de reacción individual en el nivel atómico . Sin embargo, este nivel de conocimiento es necesario para desarrollar un proceso correspondiente eficiente y eficiente de recursos. En el trabajo publicado, los científicos muestran que el uso de la fuerza mecánica en las moléculas de celulosa, en un cierto nivel, tiene una influencia significativa en la reacción.
Para ello, 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 la energía a lo largo de la coordenada de reacción con y sin la influencia de las fuerzas mecánicas. Lo que lograron demostrar es que el estrés en el esqueleto molecular de la celulosa tuvo una fuerte influencia en la reacción de hidrólisis. Por un lado, la energía requerida para activar el proceso se redujo significativamente. Por otro lado, un aumento de la fuerza mecánica incluso hizo que dos de los tres pasos de reacción habituales fueran superfluos. “líder del 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 previamente desconocida y altamente eficiente para la conversión de celulosa”, agrega.
Los nuevos resultados no solo confirman las observaciones experimentales, sino que también muestran el potencial para controlar los procesos moleculares con la ayuda de la fuerza mecánica. “Entre otras cosas, pudimos demostrar que la llamada afinidad de protones en la celulosa puede incrementarse selectivamente en la 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 conduzca al desarrollo de nuevas sustancias mecano-sensibles, como los plásticos. Estas sustancias podrían ser fácilmente recicladas por fuerzas mecánicas después del uso.
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