L'un des plus grands défis mondiaux est l'utilisation efficace des sources renouvelables afin de répondre à la demande croissante d'énergie et de produits chimiques de base à l'avenir. Dans ce contexte, la biomasse est une alternative prometteuse aux sources fossiles existantes telles que le charbon ou le pétrole. La cellulose joue ici un rôle déterminant, car il représente la plus grande fraction du stockage naturel de carbone. Ces réservoirs sont cruciaux pour la production de carburants et de produits chimiques de base. Afin d'exploiter tout son potentiel, la structure en chaîne de la cellulose doit être brisée. Cela peut être fait par une réaction dite d'hydrolyse, lequel, cependant, est difficile en raison de la structure atomique de la cellulose et a été très coûteux jusqu'à présent.

Des chercheurs de l'université de Münster (Allemagne) dirigée par le Dr Saeed Amirjalayer et le professeur Harald Fuchs et de l'université de Bochum dirigée par le professeur Dominik Marx ont maintenant réussi à identifier un nouveau mécanisme de réaction dans lequel la cellulose peut être convertie de manière très efficace en utilisant force mécanique. Cette réaction dite mécano-catalytique pourrait conduire au développement d'une procédé respectueux de l'environnement et rentable pour la conversion de la biomasse. L'étude a été publiée dans la revue Angewandte Chemie Édition Internationale .

Informations générales et méthode :

En utilisant une réaction d'hydrolyse, le squelette cellulosique peut être décomposé en un bloc de construction moléculaire individuel. Ces blocs de construction moléculaires sont la base réelle de la production de carburants ou de matières premières chimiques. Dans leur recherche de moyens de rendre la réaction d'hydrolyse plus efficace, les chercheurs ont déjà trouvé des preuves dans des études antérieures que les forces mécaniques peuvent influencer le processus de conversion.

Jusqu'à présent, il n'a pas été possible d'élucider l'influence de la force mécanique au cours de chaque étape de réaction individuelle au niveau atomique. Cependant, ce niveau de connaissance est nécessaire pour développer un processus correspondant efficace et économe en ressources. Dans l'ouvrage maintenant publié, les scientifiques montrent que l'utilisation de la force mécanique sur les molécules de cellulose, au-dessus d'un certain niveau, a une influence significative sur la réaction.

Faire cela, les nanoscientifiques ont réalisé une modélisation dite atomistique. Ceux-ci leur ont permis de suivre en détail les différentes étapes de la réaction d'hydrolyse et en même temps d'appliquer une force mécanique sur la structure moléculaire. Les chercheurs ont calculé ce qu'on appelle des profils énergétiques, qui décrivent le chemin de l'énergie le long de la coordonnée de réaction avec et sans l'influence des forces mécaniques. Ce qu'ils ont réussi à montrer, c'est que le stress du squelette moléculaire de la cellulose avait une forte influence sur la réaction d'hydrolyse. D'un côté, l'énergie requise pour activer le processus a été considérablement réduite. D'autre part, une force mécanique accrue a même rendu superflues deux des trois étapes de réaction habituelles. "Au moyen de nos modèles atomistiques, nous avons pu étudier explicitement l'influence de la force mécanique sur le mécanisme de réaction", dit l'auteur principal, le Dr Saeed Amirjalayer, qui travaille comme chef de groupe à l'Institut de physique de l'Université de Münster et au Centre de nanotechnologie (CeNTech). "Cela nous a permis d'élucider une voie réactionnelle jusqu'alors inconnue et très efficace pour la conversion de la cellulose, " il ajoute.

Les nouveaux résultats confirment non seulement les observations expérimentales, mais montrent également le potentiel de contrôler les processus moléculaires à l'aide de la force mécanique. "Entre autres, nous avons pu montrer que la soi-disant affinité protonique dans la cellulose peut être augmentée de manière sélective par région par la force mécanique, " explique Saeed Amirjalayer.

Les scientifiques espèrent donc que ces travaux permettront non seulement un procédé efficace et respectueux de l'environnement pour la conversion de la cellulose, mais aussi conduire au développement de nouvelles substances mécano-réactives, comme les plastiques. Ces substances pourraient être facilement recyclées par des forces mécaniques après utilisation.