Een nieuw type cellulose nanodeeltje, uitgevonden door onderzoekers van de McGill University, vormt de kern van een effectievere en minder milieubelastende oplossing voor een van de grootste uitdagingen waarmee op water gebaseerde industrieën worden geconfronteerd:het voorkomen van schaalvergroting.

Gevormd door de ophoping van slecht oplosbare mineralen, kalkaanslag kan de werking van zowat alle apparatuur die water geleidt of opslaat ernstig aantasten - van huishoudelijke apparaten tot industriële installaties. De meeste antikalkmiddelen die momenteel in gebruik zijn, bevatten veel fosforderivaten, milieuverontreinigende stoffen die catastrofale gevolgen kunnen hebben voor aquatische ecosystemen.

In een reeks artikelen gepubliceerd in de Royal Society of Chemistry's Materialen Horizons en de American Chemical Society's Toegepaste materialen en interfaces , een team van McGill-chemici en chemisch ingenieurs beschrijft hoe ze een fosforvrije anti-kalkoplossing hebben ontwikkeld op basis van een nanotechnologische doorbraak met een ongebruikelijke naam:harige nanocellulose.

Een onwaarschijnlijke kandidaat

Hoofdauteur Amir Sheikhi, nu een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Bioengineering aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, zegt ondanks zijn groene referenties cellulose was geen voor de hand liggende plaats om te zoeken naar een manier om schaal te bestrijden.

"Cellulose is het meest voorkomende biopolymeer ter wereld. Het is hernieuwbaar en biologisch afbreekbaar. Maar het is waarschijnlijk een van de minst aantrekkelijke opties voor een middel tegen kalkaanslag omdat het neutraal is, het heeft geen geladen functionele groepen, " hij zegt.

Tijdens het werken als postdoctoraal onderzoeker bij McGill chemieprofessor Ashok Kakkar, Sheikhi ontwikkelde een aantal macromoleculaire antiscalanten die effectiever waren dan producten die veel worden gebruikt in de industrie, maar al zijn ontdekkingen waren gebaseerd op fosfonaten. Zijn wens om zijn onderzoek verder te drijven en een fosforvrij alternatief te vinden, bracht hem ertoe cellulose nader te bekijken.

"Nano-gemanipuleerde harige cellulose bleek zelfs beter te werken dan de gefosfoneerde moleculen, " hij zegt.

De doorbraak kwam toen het onderzoeksteam erin slaagde negatief geladen carboxylgroepen op nanodeeltjes van cellulose te nano-engineeren. Het resultaat was een deeltje dat niet langer neutraal was, maar droegen in plaats daarvan geladen functionele groepen die in staat zijn om de neiging van positief geladen calciumionen om kalk te vormen te beheersen.

Hirsute wonderdeeltje een toevallige ontdekking

Eerdere pogingen om cellulose op deze manier te functionaliseren, waren gericht op twee eerdere vormen van nanodeeltjes:cellulose-nanofibrillen en cellulose-nanokristallen. Maar deze inspanningen leverden slechts een minimale hoeveelheid bruikbaar product op. Het verschil deze keer was dat het McGill-team werkte met harige nanocellulose - een nieuw nanodeeltje dat voor het eerst werd ontdekt in het laboratorium van McGill-hoogleraar chemie Theo van de Ven.

Van de Ven, die ook meededen aan het anti-scaling onderzoek, herinnert aan het moment in 2011 toen Han Yang, dan een doctoraatsstudent in zijn lab, stuitte op de nieuwe vorm van nanocellulose.

"Hij kwam mijn kantoor binnen met een reageerbuis die eruitzag alsof er water in zat en hij zei:'Meneer! Mijn schorsing is verdwenen!'" zegt van de Ven met een grijns.

"Hij had een witte suspensie van kraftvezels en het was transparant geworden. Als iets transparant is, je weet meteen dat het is opgelost of nano is geworden. We voerden een aantal karakteriseringen uit en realiseerden ons dat hij een nieuwe vorm van nanocellulose had gemaakt."

Extreme veelzijdigheid

Het geheim van het maken van harige nanocellulose ligt in het knippen van cellulose-nanofibrillen - die zijn samengesteld uit een afwisselende reeks kristallijne en amorfe gebieden - op precieze locaties om nanodeeltjes te produceren met amorfe gebieden die aan beide uiteinden ontspruiten als zoveel onhandelbare haarlokken.

"Door de nanofibrillen te breken zoals wij dat doen, je krijgt al die celluloseketens die eruit steken die toegankelijk zijn voor chemicaliën, " legt van de Ven uit. "Daarom kan onze nanocellulose in veel grotere mate worden gefunctionaliseerd dan andere soorten."

Gezien de chemische veelzijdigheid van harige nanocellulose, het onderzoeksteam ziet een groot potentieel voor toepassingen die verder gaan dan anti-scaling, inclusief medicijnafgifte, Antimicrobiële middelen, en fluorescerende kleurstoffen voor medische beeldvorming.

"We kunnen zowat elk molecuul dat je maar kunt bedenken koppelen aan harige nanocellulose, ', zegt Van de Ven.