Mekanik Kuvvet Uygulayarak Biyokütlenin Dönüştürülmesi

Fotoğraf : Nanobilimcilerin mekanik kuvvet uyguladıkları selülozun moleküler yapısı (yeşil oklar). Sonuç olarak hidroliz reaksiyonu çarpıcı biçimde değişmiştir.

En büyük küresel zorluklardan biri, gelecekte enerji ve hammadde kimyasallarına olan talebin artması için yenilenebilir kaynakların verimli kullanılmasıdır. Bu bağlamda, biyokütle, kömür veya petrol gibi mevcut fosil kaynaklarına umut verici bir alternatiftir. Selüloz burada belirleyici bir rol oynar, çünkü doğal karbon depolamanın en büyük bölümünü oluşturur. Bu rezervuarlar hem yakıtların hem de temel kimyasalların üretimi için çok önemlidir. Tam potansiyelinden yararlanabilmek için, selülozun zincir benzeri yapısının parçalanması gerekir. Bu, selülozun atomik yapısı nedeniyle zor olan ve bugüne kadar çok pahalı olan bir hidroliz reaksiyonu ile yapılabilir.

Saeed Amirjalayer ve Prof. Harald Fuchs başkanlığındaki Münster Üniversitesi’nden (Almanya) ve Prof. Dominik Marx başkanlığındaki Bochum Üniversitesi’nden araştırmacılar, selülozun kullanımıyla oldukça verimli bir şekilde dönüştürülebilecekleri yeni bir reaksiyon mekanizmasının belirlenmesinde başarılı oldular. Bu sözde mekanik katalitik reaksiyon, biyokütlenin dönüşümü için verimli, çevre dostu ve uygun maliyetli bir sürecin geliştirilmesine yol açabilir. Ayrıca bu çalışma Angewandte Chemie International Edition dergisinde yayınlanmıştır.

Arka Plan Bilgisi ve Yöntemi

Bir hidroliz reaksiyonu kullanılarak, selüloz omurgası ayrı moleküler yapı bloğuna parçalanabilir. Bu moleküler yapı taşları yakıt veya kimyasal hammadde üretmek için gerçek temeldir. Hidroliz reaksiyonunu daha verimli hale getirmenin yollarını aradıklarında, araştırmacılar daha önce yapılan çalışmalarda mekanik kuvvetlerin dönüşüm sürecini etkileyebileceğine dair kanıt bulmuşlardır. 

Şimdiye kadar, atomik seviyede her bir reaksiyon basamağı sırasında mekanik kuvvetin etkisini açıklamak mümkün olmamıştır. Bununla birlikte, uygun bir verimli bir süreç geliştirmek için bu içgörü seviyesine ihtiyaç vardır. Şu anda yayınlanan çalışmada, bilim adamları selüloz molekülleri üzerindeki mekanik kuvvet kullanımının belirli bir düzeyde reaksiyonun üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir.

Bunu yapmak için, nanobilimciler sözde atomistik modelleme uyguladılar. Bunlar, hidroliz reaksiyonunun bireysel adımlarını detaylı ve aynı zamanda moleküler yapıya mekanik bir kuvvet uygulamak için takip etmelerini sağladı. Araştırmacılar, mekanik kuvvetlerin etkisi ile ve bu olmadan, reaksiyon koordinatındaki enerji yolunu tanımlayan enerji profilleri olarak hesapladılar. Göstermeyi başardıkları şey, selülozun moleküler omurgasının gerilmesinin hidroliz reaksiyonu üzerinde güçlü bir etkiye sahip olmasıdır. Bir yandan, süreci etkinleştirmek için gereken enerji önemli ölçüde azaldı. Öte yandan, arttırılmış bir mekanik kuvvet, olağan üç reaksiyon basamağından ikisini bile gereksiz kılmıştır. Münster Üniversitesi ve Nanoteknoloji Merkezi’nde Fizik Enstitüsünde grup lideri olarak çalışan önde gelen yazar Dr. Saeed Amirjalayer, “Atomistik modellerimiz sayesinde, mekanik kuvvetin reaksiyon mekanizması üzerindeki etkisini açıkça inceleyebiliriz” diyor. (CeNTech). “Bu, selülozun dönüşümü için daha önce bilinmeyen ve oldukça etkili bir reaksiyon yolunu aydınlatmamızı sağladı” diye ekliyor.

Yeni sonuçlar sadece deneysel gözlemleri teyit etmekle kalmıyor, aynı zamanda mekanik kuvvet yardımı ile moleküler prosesleri kontrol etme potansiyelini de gösteriyor. Saeed Amirjalayer, “Diğer şeylerin yanı sıra selülozdaki proton afinitesinin bölge selektif olarak mekanik kuvvetle arttırılabileceğini gösterebildik” açıklamasını yapmıştır.

Bilim adamları bu nedenle, bu çalışmanın selülozun dönüşümü için verimli ve çevre dostu bir süreç sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda plastikler gibi yeni mekanik cevap veren maddelerin geliştirilmesine de yol açacağını umuyorlar. Bu maddeler kullanımdan sonra mekanik kuvvetlerle kolayca geri dönüştürülebilir.

Kaynak : phys.org