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L’ammoniac, l’ingrédient principal des engrais à base d’azote, contribue à nourrir le monde depuis la Première Guerre mondiale. Cependant, produire de l’ammoniac à l’échelle industrielle consomme beaucoup d’énergie et il représente plus d’un pour cent des émissions de carbone liées à l’énergie totales du monde.

Produire de l’ammoniac à partir de la nitrogénase 

Dans la nature, l’enzyme nitrogénase produit de l’ammoniac d’une manière plus respectueuse de l’environnement. Les chercheurs veulent mieux comprendre comment la nitrogénase agit comme un catalyseur pour décomposer l’azote. Ce qu’ils apprennent pourrait mener à de nouvelles conceptions bio-inspirées qui améliorent la façon dont les engrais sont fabriqués.
Une récente découverte effectuée par une équipe de chercheurs du Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique (PNNL) et de plusieurs universités a franchi un obstacle énorme pour atteindre cet objectif. Ils ont identifié pour la première fois, la structure moléculaire de la nitrogénase qui décompose l’azote pour produire de l’ammoniac. Cette structure, appelée intermédiaire de Janus, représente le tournant du chemin de la nitrogénase vers l’ammoniac.
Simone Raugei, chimiste théoricien et l’un des auteurs correspondants de l’étude, a déclaré que la structure de l’intermédiaire de Janus – en particulier les relations spatiales entre ses électrons et ses protons – est importante car elle met en lumière la façon dont la nitrogénase peut stocker quatre électrons dans un très petit amas d’atomes pour permettre la rupture de la forte liaison chimique de l’azote gazeux. Les électrons veulent naturellement se repousser. Il est donc difficile de les faire pivoter dans un espace confiné.
«Comprendre comment placer quatre électrons supplémentaires dans une région déjà très riche en électrons est un véritable défi pour les chimistes », a déclaré Raugei.

Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques

Pour résoudre la structure de l’intermédiaire de Janus, l’équipe de recherche a utilisé des simulations informatiques couplées à une technique analytique par résonance magnétique pour analyser la structure moléculaire et électronique des électrons non appariés. Le résultat était un modèle analytique simple, mais robuste, capable de reproduire les éléments-clés de l’interaction entre les noyaux et le nuage d’électrons dans l’intermédiaire de Janus.
Ce modèle a permis de sélectionner une structure parmi tous les candidats structurels possibles capables de reproduire les données expérimentales. Dans ce modèle, deux atomes d’hydrogène chargés négativement (appelés hydrures) forment des ponts avec deux ions de fer pour recevoir les électrons supplémentaires.

Mieux comprendre les hydrures 

Ces résultats représentent un formidable pas en avant dans la recherche d’une meilleure façon de synthétiser l’ammoniac. La prochaine étape consistera à comprendre comment aborder la manière dont les électrons stockés dans les hydrures s’écoulent dans la molécule d’azote et comment sa forte triple liaison est défaite.
Cette recherche a été publiée dans Journal of the American Chemical Society.
Source : Environmental Molecular Sciences Laboratory
Crédit photo : Pixabay