能源短缺問題是長期困擾人類社會(huì)發(fā)展的主要問題之一，據(jù)預(yù)測(cè)，地球上蘊(yùn)藏的可供開發(fā)利用的煤和石油化石能源將分別在200年、30～40年內(nèi)耗竭，而天然氣按儲(chǔ)采比也只能利用60年。同時(shí)，煤、石油、天然氣帶來的環(huán)境氣候問題日益突出，因此開發(fā)有效的化石燃料替代品變得至關(guān)重要。

纖維素是世界上最豐富的天然有機(jī)物，麻、麥稈、稻草、甘蔗渣等，都是纖維素的豐富來源。作為植物生物質(zhì)的主要成分，它每年以約1640億噸的速率再生，其所含能量相當(dāng)于石油產(chǎn)量的15～20倍。這些儲(chǔ)量豐富的纖維素類生物質(zhì)可水解成糖再通過化學(xué)或生化法轉(zhuǎn)化成燃料酒精、糠醛、乙苯丙酸等液體燃料和化學(xué)品，可以改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，為人類提供綠色能源和化工產(chǎn)品。

生物質(zhì)燃料是一種可再生的新能源，對(duì)其進(jìn)行開發(fā)利用不僅能緩解能源危機(jī)，還可以減輕環(huán)境污染。但是，由于纖維素類生物質(zhì)分子的剛性和致密結(jié)構(gòu)使其不溶于水，因此其降解過程極具挑戰(zhàn)性。截至目前，全球的化學(xué)家和生物技術(shù)人員已經(jīng)使用了諸如微波輻射，水解和超聲處理之類的常規(guī)技術(shù)來降解這種聚合物，但是這些過程都需要比較嚴(yán)格極端的條件，因此是不可持續(xù)的。

近日，東京科技大學(xué)、京都大學(xué)高級(jí)能源研究所、日本大學(xué)量子科學(xué)研究所電子束研究與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室、立命館大學(xué)SR中心的研究人員，開發(fā)了一種新纖維素降解技術(shù)，基于無紅外電子激光器（IR-FEL）的波長在3～20μm范圍內(nèi)且可調(diào)，相關(guān)研究成果已發(fā)表于《能源與燃料》雜志。

已有試驗(yàn)顯示，采用近紅外和中紅外自由電子激光是直接從纖維素聚集體中獲得葡萄糖和低分子量糖類的綠色方法。紅外自由電子激光是一種基于同步輻射的皮秒脈沖激光器，其振蕩波長可在3至10 μm之間調(diào)諧。

通過電噴霧電離質(zhì)譜分析顯示，葡萄糖、纖維二糖、三糖和四糖的質(zhì)量峰被清晰地檢測(cè)到，在粉末纖維素被紅外自由電子激光連續(xù)照射至9.1微米之后的7.2微米或3微米之后，這些糖的產(chǎn)量高于在9.1微米下通過單次輻射獲得的產(chǎn)量。

研究人員指出，IR-FEL激光輻照系統(tǒng)基于振動(dòng)模式選擇性多光子吸收反應(yīng)，并可以改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，是用于纖維素零排放降解的最有前途的綠色技術(shù)?；贗R-FEL可用于對(duì)各種生物分子進(jìn)行解離反應(yīng)，到目前為止，該技術(shù)已在物理，化學(xué)和醫(yī)學(xué)的基本領(lǐng)域中被廣泛使用。

纖維素是由碳，氧和氫分子組成的生物聚合物，它們相互之間形成不同長度和角度的共價(jià)鍵。該聚合物在三個(gè)波長分別為9.1、7.2和3.5微米處具有三個(gè)紅外波段，分別對(duì)應(yīng)于三個(gè)不同的鍵：碳氧拉伸模式，氫氧彎曲模式和碳?xì)淅炷Ｊ?。根?jù)這些模式，研究人員通過將IR-FEL的波長調(diào)整為這三個(gè)波長來照射粉狀纖維素。

接下來，他們利用電噴霧電離質(zhì)譜分析法和同步加速器輻射紅外顯微鏡等技術(shù)對(duì)產(chǎn)品、產(chǎn)率進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示纖維素分子已成功分解為葡萄糖和纖維二糖（用于生產(chǎn)生物乙醇的前體分子），且這些產(chǎn)品還可以以高收率獲得，這進(jìn)一步證明了該方法的有效性。

研究人員認(rèn)為，這是世界上第一種通過使用IR-FEL從纖維素中高效獲取葡萄糖的方法，并且不需要助溶劑、高溫和高壓來發(fā)揮輻照效果。據(jù)稱，在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下，一天的操作可以處理數(shù)百毫克的固體纖維素樣品。

除生產(chǎn)生物燃料外，纖維素還有多種用途。例如，作為生物相容性細(xì)胞膜中的功能性生物材料，抗菌片和混合紙材料，新方法還可用于醫(yī)療保健，技術(shù)和工程等行業(yè)。此外，該研究團(tuán)隊(duì)樂觀地認(rèn)為，他們的方法不僅可用于處理纖維素，而且可用于處理其他木材成分，并且可以被證明是一種回收森林生物質(zhì)的創(chuàng)新方法，因此他們希望這項(xiàng)研究未來可以為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。