Un nuovo tipo di nanoparticelle di cellulosa, inventato dai ricercatori della McGill University, è al centro di una soluzione più efficace e meno dannosa per l'ambiente a una delle maggiori sfide che le industrie a base d'acqua devono affrontare:prevenire l'accumulo di incrostazioni.

Formata dall'accumulo di minerali scarsamente solubili, la bilancia può compromettere seriamente il funzionamento di quasi tutte le apparecchiature che conducono o immagazzinano acqua, dagli elettrodomestici agli impianti industriali. La maggior parte degli agenti anticalcare attualmente in uso sono ricchi di derivati ​​del fosforo, inquinanti ambientali che possono avere conseguenze catastrofiche per gli ecosistemi acquatici.

In una serie di articoli pubblicati nella Royal Society of Chemistry's Orizzonti di materiali e l'American Chemical Society's Materiali applicati e interfacce , un team di chimici e ingegneri chimici McGill descrive come hanno sviluppato una soluzione anticalcare priva di fosforo basata su un'innovazione nanotecnologica con un nome insolito:nanocellulosa pelosa.

Un candidato improbabile

L'autore principale Amir Sheikhi, ora borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Bioingegneria dell'Università della California, Los Angeles, afferma che, nonostante le sue credenziali ecologiche, la cellulosa non era un luogo ovvio in cui cercare un modo per combattere la scala.

"La cellulosa è il biopolimero più abbondante al mondo. È rinnovabile e biodegradabile. Ma è probabilmente una delle opzioni meno attraenti per un agente anticalcare perché è neutro, non ha gruppi funzionali carichi, " lui dice.

Mentre lavorava come borsista post-dottorato con il professore di chimica della McGill Ashok Kakkar, Sheikhi ha sviluppato una serie di antincrostanti macromolecolari che erano più efficaci dei prodotti ampiamente utilizzati nell'industria, ma tutte le sue scoperte erano a base di fosfonati. Il suo desiderio di spingere ulteriormente la sua ricerca e trovare un'alternativa priva di fosforo lo ha portato a dare un'occhiata più da vicino alla cellulosa.

"La cellulosa pelosa nanoingegnerizzata si è rivelata funzionare anche meglio delle molecole fosfonate, " lui dice.

La svolta è arrivata quando il team di ricerca è riuscito a creare gruppi carbossilici caricati negativamente su nanoparticelle di cellulosa. Il risultato fu una particella che non era più neutra, ma invece trasportava gruppi funzionali carichi in grado di controllare la tendenza degli ioni calcio caricati positivamente a formare incrostazioni.

Irsuta particella meraviglia una scoperta casuale

I precedenti tentativi di funzionalizzare la cellulosa in questo modo si sono concentrati su due forme precedenti di nanoparticelle:le nanofibrille di cellulosa e i nanocristalli di cellulosa. Ma questi sforzi hanno prodotto solo una quantità minima di prodotto utile. La differenza questa volta è stata che il team della McGill ha lavorato con la nanocellulosa pelosa, una nuova nanoparticella scoperta per la prima volta nel laboratorio del professore di chimica McGill Theo van de Ven.

Van de Ven, che ha partecipato anche alla ricerca antiscaling, ricorda il momento nel 2011 in cui Han Yang, poi un dottorando nel suo laboratorio, incappato nella nuova forma di nanocellulosa.

"È entrato nel mio ufficio con una provetta che sembrava contenere dell'acqua e ha detto:'Signore! La mia sospensione è scomparsa!'", dice van de Ven con un sorriso.

"Aveva una sospensione bianca di fibre kraft ed era diventata trasparente. Quando qualcosa è trasparente, capisci subito che si è dissolto o è diventato nano. Abbiamo eseguito una serie di caratterizzazioni e ci siamo resi conto che aveva realizzato una nuova forma di nanocellulosa".

Estrema versatilità

Il segreto per produrre nanocellulosa pelosa sta nel tagliare le nanofibrille di cellulosa - che sono costituite da una serie alternata di regioni cristalline e amorfe - in posizioni precise per produrre nanoparticelle con regioni amorfe che spuntano da entrambe le estremità come tante ciocche ribelli di capelli.

"Rompere le nanofibrille come facciamo noi, ottieni tutte queste catene di cellulosa che sporgono e sono accessibili ai prodotti chimici, " spiega van de Ven. "Ecco perché la nostra nanocellulosa può essere funzionalizzata in misura molto maggiore rispetto ad altri tipi".

Data la versatilità chimica della nanocellulosa pelosa, il team di ricerca vede un forte potenziale per applicazioni oltre l'anti-scaling, compresa la consegna di farmaci, agenti antimicrobici, e coloranti fluorescenti per l'imaging medico.

"Possiamo collegare praticamente qualsiasi molecola a cui si possa pensare alla nanocellulosa pelosa, "dice van de Ven.