纤维素nanodefects:未来生物燃料和生物材料的关键

纤维素是一种可再生聚合物，可用于生产生物燃料和其他生物基材料。然而，由于对纤维素纳米级特性的不完全了解，纤维素取代石油衍生产品的潜力受到了限制。最近的研究
来自国家可再生能源实验室的Peter Ciesielski博士和Michael Crowley博士对纳米级缺陷有了更深入的了解，这些缺陷在材料的机械性能和降解过程中起着至关重要的作用。利用原子力显微镜、分子动力学和量子力学，他们阐明了一个基本的结构/性质关系，这可能是纤维素可再生生物产品的关键。

纤维素是最重要、最丰富的可再生材料之一。它是纸张、木材和棉花等自然产品的主要成分，但其他潜在产品，如可再生燃料和纳米材料尚未得到充分开发。纤维素是植物细胞壁的主要结构材料，它是一种天然聚合物，由重复的糖单元组成，以一种防止解构的模式编织在一起。因此，纤维素不能被人类消化，而且，基于其弹性结构，它可以被用于各种材料应用。

然而，由于其含糖结构，纤维素有潜力用于生物燃料生产，这需要解聚和分离较小的糖单元，然后转化为燃料。尽管在过去的几十年里对物理、化学和生物方法进行了严格的研究，这些方法可以用来分解纤维素的结构，但这一潜力目前尚未被开发。迄今为止所取得的成就是确定了各种预处理和方法，这些方法可以部分有效地利用这些生物材料生产生物燃料。然而，对机械加工、纤维素结构和化学分解之间相互作用的深入理解仍然是需要的。

在深入研究纤维素解构的最新进展之前，我们将简要介绍一下为什么可再生材料和生物燃料受到并继续受到如此多的关注。

对可再生材料和生物燃料的需求
在过去的几十年里，人们开始转向绿色化学和可持续发展，努力摆脱化石燃料、化学品和那些多年来对环境造成毁灭性后果的过程。有限数量的石油基燃料、它们对环境的影响以及全球人口日益增长的能源需求，使人们对我们是否有能力依赖这种能源产生了极大的关切。向着更绿色的方向，可再生能源出现了，如从太阳获得的光，风能和水流的能量，以及可补充的可再生材料，如生物质能的效用。可再生生物燃料已经商业化生产，例如用玉米淀粉生产生物乙醇。

Ciesielski博士和Crowley博士破解了纤维素纤维缺陷重要性的难题。

纤维素可以从低价值的生物物质中大量获得，如农业废弃物和森林稀薄物。然而，与淀粉不同的是，纤维素中的糖被紧密地包裹在坚固的纳米纤维中，这阻碍了我们以可持续的方式将其分解和“获取货物”的能力。有前途的纤维素转化技术除了采用物理和化学方法外，还采用基于酶的生物方法，而酶是自然界的小帮手。然而，降解纤维素的酶（称为纤维素酶）不能将生物量降解到工业上可行的程度或速度。提高转化率的预处理涉及大量的能源消耗或需要苛刻的化学品，这使得该工艺对于商业应用来说过于昂贵。因此，正在进行的研究正试图克服这些障碍，并协助生物量酶转化为有价值的产品。

弯曲纤维素：为什么缺陷是好的
通过更好地理解纤维素的结构特征来改善纤维素降解的最新进展表明，如果纤维素的结构有一些缺陷，纤维素酶可以更容易地分解纤维素，充当酶的手柄来攻击原本不可穿透的结构。要更好地理解这个概念，不妨想想洗发水广告是如何呈现头发及其角质层的：其理念是，洗发水将角质层粘回到主体上，使头发再次变得光滑，这样头发就不容易断裂。在这种情况下，想法恰恰相反。我们想在头发（纤维素纤维）上引入角质层（缺陷），这样头发更容易断裂。

对纤维素降解有益的缺陷的认识并不新鲜，但是，美国科罗拉多州国家可再生能源实验室(NREL)的Peter Ciesielski博士和Michael Crowley博士首先证明，通过机械手段在纤维素结构上引入缺陷，通过结合更多的酶起始点来协助进一步降解。他们一起通过实验和模拟研究了纤维素的纳米结构，证明了机械应力、扭结(缺陷)的形成和酶降解之间的直接关系。在随后的研究中，他们探讨了如何在纤维素纤维上有针对性地引入缺陷来改善生物质转化过程中的酶降解。

对纤维素缺陷的理解和建模
Ciesielski博士和Crowley博士结合了各种力量（以及他们的专业知识），围绕纤维素的解构过程创造了一个引人入胜的故事，用于生产生物燃料、生化制品和生物材料。他们的努力在三份出版物上展开，最近的一份将这些作品汇集在一起。最初，他们使用显微镜和原子模型来复制天然和预处理形式的纤维素纳米结构，并帮助了解预处理对纤维结构的影响。他们深入了解了纤维素的结构变化，并在预处理后确定了扭结的存在，他们将重点放在纤维素的酶降解上，了解了纤维素的分解机理。同一出版物还表明，有价值的纤维素纳米材料可以作为酶处理的副产品生产。然后，在他们关于这个主题的最新出版物中，Ciesielski博士和Crowley博士结合了他们新获得的知识，破解了纤维素纤维缺陷对酶解的重要性的难题。利用原子力显微镜、分子动力学和量子力学计算的组合，他们同时引起、观察和模拟缺陷的引入，然后用纤维素酶检查这些缺陷对促进酶降解的效率。

近距离观察纤维素
在他们最近的研究中，Ciesielski博士和Crowley博士揭示了伴随着它们的聚合物链中存在的扭结缺陷和断裂是酶过程成功的基础。通过分子动力学，他们能够建立有代表性的模型来解释原子力显微镜实验中缺陷的机械引入的结果，通过量子力学，他们能够分析酶是如何利用这些缺陷作为“垫脚石”来启动降解的。他们的详细工作结合了实验和计算方法，为进一步了解纤维素降解及其如何受到分子结构和预处理的影响奠定了坚实的基础。

他们的详细工作结合了实验和计算方法，为理解纤维素降解奠定了坚实的基础。

通过非常详细的解释纤维素纤维如何在原子力显微镜指针下弯曲，Ciesielski博士和Crowley博士提供了关于纤维素键断裂的有价值的见解，连接了通过实验和模拟收集的数据。他们详细阐述了一般的晶体纤维素结构(有序结构，糖分子以重复的三维排列定向)的破坏和“缺陷”的引入，形成无定形区域，分子不再以有序的方式放置，聚合物键开始断裂。应该提到的是，这种纤维素从结晶到无定形的结构变化是由“机械戳”引起的，通过原子力显微镜指针，与通常用于破坏纤维素坚固结构的化学或热预处理相反。

新形成的无定形区域不同于纤维素纤维的笔直、光滑的结构，它提供了纤维素酶（负责纤维素降解的酶）所必需的分子特征，从而引发这种坚韧的生物材料的分解。Ciesielski博士和Crowley博士对纤维素的结构、酶降解机制、分子内缺陷的存在及其通过机械操作引入的知识，以及结合这一认识，为改善纤维素降解开辟了新的研究和探索途径，提高生物质转化过程的效率。