Un nouveau type de nanoparticule de cellulose, inventé par des chercheurs de l'Université McGill, est au cœur d'une solution plus efficace et moins dommageable pour l'environnement à l'un des plus grands défis auxquels sont confrontées les industries à base d'eau :empêcher l'accumulation de tartre.

Formé par l'accumulation de minéraux peu solubles, le tartre peut sérieusement altérer le fonctionnement de presque tous les équipements qui conduisent ou stockent l'eau, des appareils ménagers aux installations industrielles. La plupart des agents anti-tartre actuellement utilisés sont riches en dérivés du phosphore, polluants environnementaux qui peuvent avoir des conséquences catastrophiques pour les écosystèmes aquatiques.

Dans une série d'articles publiés dans la Royal Society of Chemistry's Horizons de matériaux et l'American Chemical Society Matériaux appliqués et interfaces , une équipe de chimistes et d'ingénieurs chimistes de McGill décrit comment ils ont développé une solution antitartre sans phosphore basée sur une percée en nanotechnologie avec un nom inhabituel :la nanocellulose velue.

Un candidat improbable

Auteur principal Amir Sheikhi, maintenant stagiaire postdoctoral au Département de bio-ingénierie de l'Université de Californie, Los Angeles, affirme que malgré ses références écologiques, la cellulose n'était pas un endroit évident pour chercher un moyen de lutter contre l'échelle.

"La cellulose est le biopolymère le plus abondant au monde. Il est renouvelable et biodégradable. Mais c'est probablement l'une des options les moins attrayantes pour un agent antitartre car il est neutre, il n'a pas de groupes fonctionnels chargés, " il dit.

Tout en travaillant comme stagiaire postdoctoral avec le professeur de chimie de McGill Ashok Kakkar, Sheikhi a développé un certain nombre d'antitartres macromoléculaires plus efficaces que les produits largement utilisés dans l'industrie, mais toutes ses découvertes étaient à base de phosphonate. Son désir de pousser plus loin ses recherches et de trouver une alternative sans phosphore l'a amené à s'intéresser de plus près à la cellulose.

"La cellulose velue nanotechnologique s'est avérée encore plus efficace que les molécules phosphonées, " il dit.

La percée est survenue lorsque l'équipe de recherche a réussi à nano-ingénierie des groupes carboxyle chargés négativement sur des nanoparticules de cellulose. Le résultat était une particule qui n'était plus neutre, mais portaient à la place des groupes fonctionnels chargés capables de contrôler la tendance des ions calcium chargés positivement à former du tartre.

Particule de merveille hirsute une découverte fortuite

Les tentatives précédentes pour fonctionnaliser la cellulose de cette manière se sont concentrées sur deux formes antérieures de nanoparticules - les nanofibrilles de cellulose et les nanocristaux de cellulose. Mais ces efforts n'ont produit qu'une quantité minime de produit utile. La différence cette fois, c'est que l'équipe de McGill a travaillé avec de la nanocellulose velue – une nouvelle nanoparticule découverte pour la première fois dans le laboratoire du professeur de chimie de McGill Theo van de Ven.

Van de Ven, qui a également participé à la recherche anti-tartre, rappelle le moment en 2011 où Han Yang, puis doctorant dans son laboratoire, tombé sur la nouvelle forme de nanocellulose.

"Il est venu dans mon bureau avec un tube à essai qui semblait contenir de l'eau et il a dit :'Monsieur! Ma suspension a disparu !'" dit van de Ven avec un sourire.

"Il avait une suspension blanche de fibres kraft et elle était devenue transparente. Quand quelque chose est transparent, vous savez immédiatement qu'il s'est soit dissous, soit devenu nano. Nous avons effectué un certain nombre de caractérisations et nous avons réalisé qu'il avait fabriqué une nouvelle forme de nanocellulose."

Extrême polyvalence

Le secret pour fabriquer de la nanocellulose velue réside dans la coupe des nanofibrilles de cellulose - qui sont constituées d'une série alternée de régions cristallines et amorphes - à des emplacements précis pour produire des nanoparticules avec des régions amorphes jaillissant de chaque extrémité comme autant de mèches de cheveux indisciplinées.

"En cassant les nanofibrilles comme nous le faisons, vous obtenez toutes ces chaînes cellulosiques qui dépassent et qui sont accessibles aux produits chimiques, " explique van de Ven. " C'est pourquoi notre nanocellulose peut être fonctionnalisée dans une bien plus grande mesure que d'autres types. "

Compte tenu de la polyvalence chimique de la nanocellulose velue, l'équipe de recherche voit un fort potentiel d'applications au-delà de l'anti-scaling, y compris l'administration de médicaments, agents antimicrobiens, et des colorants fluorescents pour l'imagerie médicale.

"Nous pouvons lier à peu près n'importe quelle molécule à la nanocellulose velue, " dit van de Ven.