納米科學家應用機械力(綠色箭頭)有效切割纖維素的分子結構。結果，水解反應發生了顯著變化。

圖片來源：Saeed Amirjalayer等人/ Angegen Chem

全球最大的挑戰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品不斷增長的需求。在這種情況下，生物質是現有化石資源(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化學品的生產至關重要。為了充分發揮其潛力，必須打破纖維素的鏈狀結構。這可以通過所謂的水解反應來完成，然而，由于纖維素的原子結構，這種反應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教授領導的波鴻大學領導的明斯特大學(德國)的研究人員現已成功地確定了一種新的反應機制，其中纖維素可以高效轉化。機械力。這種所謂的機械催化反應可以導致開發用于生物質轉化的有效，環境友好且成本有效的方法。該研究發表在Angewandte Chemie國際版期刊上。

背景資料和方法：

使用水解反應，纖維素主鏈可以分解成單獨的分子結構單元。這些分子結構單元是生產燃料或化學原料的實際基礎。在尋找使水解反應更有效的方法時，研究人員已經在早期研究中發現機械力可以影響轉化過程的證據。

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

為此，納米科學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的各個步驟，同時對分子結構施加機械力。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坐標的能量路徑。他們成功地表明，強調纖維素的分子骨架對水解反應有很大的影響。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步驟中的兩個變得多余。“

新結果不僅證實了實驗觀察結果，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，科學家們希望這項工作不僅能夠實現纖維素轉化的高效環保工藝，而且還能開發出新型機械響應物質，如塑料。這些物質在使用后可通過機械力輕易回收。