Behåret nanoteknologi giver en grøn anti-skaleringsløsning

En ny type cellulose nanopartikel, opfundet af McGill University forskere, er kernen i en mere effektiv og mindre miljøbelastende løsning på en af ​​de største udfordringer, som vandbaserede industrier står over for:at forhindre opbygning af skala.

Dannet ved ophobning af tungtopløselige mineraler, skala kan alvorligt forringe driften af ​​stort set alt udstyr, der leder eller lagrer vand - fra husholdningsapparater til industrielle installationer. De fleste af de anti-afkalkningsmidler, der i øjeblikket er i brug, er høje i fosforderivater, miljøforurenende stoffer, der kan have katastrofale konsekvenser for akvatiske økosystemer.

I en række artikler udgivet i Royal Society of Chemistry's Materialer Horisonter og American Chemical Society's Anvendte materialer og grænseflader , et team af McGill-kemikere og kemiske ingeniører beskriver, hvordan de har udviklet en fosforfri anti-afkalkningsløsning baseret på et nanoteknologisk gennembrud med et usædvanligt navn:behåret nanocellulose.

En usandsynlig kandidat

Hovedforfatter Amir Sheikhi, nu postdoc ved Institut for Bioingeniør ved University of California, Los Angeles, siger på trods af sine grønne legitimationsoplysninger, at cellulose ikke var et oplagt sted at lede efter en måde at bekæmpe skala på.

"Cellulose er den mest udbredte biopolymer i verden. Den er fornyelig og bionedbrydelig. Men det er nok en af ​​de mindst attraktive muligheder for et anti-afkalkningsmiddel, fordi det er neutralt, den har ingen ladede funktionelle grupper, " han siger.

Mens han arbejdede som postdoc hos McGill kemiprofessor Ashok Kakkar, Sheikhi udviklede en række makromolekylære antiskalanser, der var mere effektive end produkter, der er meget udbredt i industrien-men alle hans opdagelser var phosphonatbaserede. Hans ønske om at skubbe sin forskning videre og finde et fosforfrit alternativ fik ham til at se nærmere på cellulose.

"Nanokonstrueret behåret cellulose viste sig at virke endnu bedre end de fosfonerede molekyler, " han siger.

Gennembruddet kom, da det lykkedes for forskerholdet at nanomanipulere negativt ladede carboxylgrupper på cellulosenanopartikler. Resultatet var en partikel, der ikke længere var neutral, men i stedet bar ladede funktionelle grupper, der var i stand til at kontrollere positiv ladede calciumioners tendens til at danne skæl.

Hirsute vidunderpartikel en tilfældig opdagelse

Tidligere forsøg på at funktionalisere cellulose på denne måde fokuserede på to tidligere former for nanopartikler – cellulosenanofibriller og cellulosenanokrystaller. Men disse bestræbelser producerede kun en minimal mængde nyttigt produkt. Forskellen denne gang var, at McGill-teamet arbejdede med behåret nanocellulose – en ny nanopartikel, som først blev opdaget i McGill-kemiprofessor Theo van de Vens laboratorium.

Van de Ven, som også deltog i anti-skaleringsforskningen, minder om det øjeblik i 2011, hvor Han Yang, så en ph.d.-studerende i sit laboratorium, faldt over den nye form for nanocellulose.

"Han kom ind på mit kontor med et reagensglas, der så ud som om det havde vand i sig, og han sagde:'Hr! Min suspension er forsvundet!'" siger van de Ven med et grin.

"Han havde en hvid suspension af kraftfibre, og den var blevet gennemsigtig. Når noget er gennemsigtigt, du ved med det samme, at det enten er opløst eller blevet nano. Vi udførte en række karakteriseringer, og vi indså, at han havde lavet en ny form for nanocellulose."

Ekstrem alsidighed

Hemmeligheden bag at lave behåret nanocellulose ligger i at skære cellulosenanofibriller - som er opbygget af en alternerende række af krystallinske og amorfe områder - på præcise steder for at producere nanopartikler med amorfe områder, der spirer fra begge ender som så mange uregerlige hårstrå.

"Ved at bryde nanofibrillerne op, som vi gør, du får alle disse cellulosekæder ud, som er tilgængelige for kemikalier, "Derfor kan vores nanocellulose funktionaliseres i langt højere grad end andre slags."

I betragtning af den kemiske alsidighed af behåret nanocellulose, forskerholdet ser et stort potentiale for applikationer ud over anti-skalering, inklusive medicinafgivelse, antimikrobielle midler, og fluorescerende farvestoffer til medicinsk billeddannelse.

"Vi kan linke stort set ethvert molekyle, du kan tænke på, til behåret nanocellulose, " siger van de Ven.