爱荷华州艾姆斯——在一个下雨的下午，赵岩指着校园窗外的树木。
爱荷华州立大学的化学教授正在开发新的合成催化剂来分解纤维素，这种植物纤维使这些树木又高又壮。
赵说:“纤维素是用来保存的——树不会在下雨后就消失。”“分解纤维素是一个巨大的挑战。”
赵认为他有一个想法和技术可以完成这项工作，使植物生物质成为糖的实用来源，可以转化为许多应用，包括燃料和化学品。
向大自然学习
Zhao和他的研究小组正在开发的合成催化剂就像超级酶，能够像天然酶一样分解纤维素，但在更极端的环境中 在经过一次又一次的回收之后。
在分解纤维素的竞赛中，合成催化剂现在处于两种天然酶之间。闫昭插图。
“我们从生物学中获得灵感，”赵说。“我们正试图复制天然酶的特征。到目前为止，我们取得了不错的结果。”
酶是一种天然的蛋白质，起到催化剂的作用，调节化学反应，保持生物过程的进行和生物的功能。例如，酶催化细胞代谢，包括分解食物以供消化。
三种酶——内纤维素酶、外纤维素酶和-葡萄糖苷酶——可以分解和消化植物纤维或纤维素。
天然酶似乎是工业转向纤维素加工的好地方。但是它们很贵。它们不能在高温或非水溶剂中存活。而且它们不稳定，很难回收到生产中。
赵的研究小组已经花了大约10年的时间来开发能够解决这些问题的纳米颗粒催化剂。美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会(NSF)资助了这项工作。爱荷华州立大学研究基金会正在寻求这项技术的专利保护，并正在寻找商业合作伙伴。
美国国家科学基金会(NSF)一项为期三年、40万美元的新资助将推动Zhao关于酶模拟催化剂的最新想法。这个新项目包括由波士顿东北大学化学和化学生物学助理教授董思佳(音译)进行的活跃反应位点的计算机模拟。
赵说，模拟“将帮助我们更好地了解我们的系统。这是一个非常复杂的系统。”
充分利用胶束
赵的研究小组正在利用被称为胶束的动态纳米球。当表面活性剂分子链(降低液体的表面张力)暴露在水中时，它们会自我组装，使分子亲水、亲水的头部形成外壳，而憎水、疏水的尾部则在外壳内旋转。
Zhao和他的团队已经找到了一种方法，可以让胶束在类似活性位点的模板分子周围聚集。一旦在紫外光下固化，这些“分子印迹纳米颗粒”的大小为50亿分之一米，具有模仿天然酶的结合和催化特性的精确形状和大小。纳米颗粒直接安装在键上，以有效和选择性地分解纤维素。
“如果成功，这项研究将产生纤维素(分解)的合成催化剂，在活性上可以与天然纤维素酶竞争，但更容易制备和回收，”一份项目总结称。
赵说，这可能使它们成为一个可行的工业选择，他对与企业建立合作关系很感兴趣。
毕竟，这项技术符合国家和时代的要求。
“生物质转化不仅对爱荷华州来说是一件大事，”赵说，他指出了该州农场种植的生物质的潜在市场，“而且现在全世界都对碳中和经济和可持续性感兴趣。”
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