En ny typ av cellulosananopartikel, uppfunnet av forskare vid McGill University, är kärnan i en mer effektiv och mindre miljöskadlig lösning på en av de största utmaningarna för vattenbaserade industrier:att förhindra uppbyggnad av skala.

Bildas genom ackumulering av svagt lösliga mineraler, skala kan allvarligt försämra driften av nästan all utrustning som leder eller lagrar vatten - från hushållsapparater till industriella installationer. De flesta av de anti-skalningsmedel som för närvarande används är höga i fosforderivat, miljöföroreningar som kan få katastrofala konsekvenser för vattenlevande ekosystem.

I en serie artiklar publicerade i Royal Society of Chemistry's Material Horizons och American Chemical Society's Tillämpade material och gränssnitt , ett team av McGill-kemister och kemitekniker beskriver hur de har utvecklat en fosforfri anti-skalningslösning baserad på ett nanoteknikgenombrott med ett ovanligt namn:hårig nanocellulosa.

En osannolik kandidat

Huvudförfattare Amir Sheikhi, nu postdoktor vid Institutionen för bioingenjör vid University of California, Los Angeles, säger att trots sin gröna referens var cellulosa inte en självklar plats att leta efter ett sätt att bekämpa vågen.

"Cellulosa är den mest förekommande biopolymeren i världen. Den är förnybar och biologiskt nedbrytbar. Men det är förmodligen ett av de minst attraktiva alternativen för ett antiskalningsmedel eftersom det är neutralt, det har inga laddade funktionella grupper, " han säger.

När han arbetade som postdoktor med McGill -kemiprofessorn Ashok Kakkar, Sheikhi utvecklade ett antal makromolekylära antiskalanser som var mer effektiva än produkter som ofta används inom industrin-men alla hans upptäckter var fosfonatbaserade. Hans önskan att driva sin forskning vidare och hitta ett fosforfritt alternativ fick honom att titta närmare på cellulosa.

"Nanoengineered hårig cellulosa visade sig fungera ännu bättre än de fosfonerade molekylerna, " han säger.

Genombrottet kom när forskargruppen lyckades nanoengineera negativt laddade karboxylgrupper på cellulosananopartiklar. Resultatet var en partikel som inte längre var neutral, men bar istället laddade funktionella grupper som kan styra tendensen hos positivt laddade kalciumjoner att bilda skala.

Hirsute undrar partikel en slump upptäckt

Tidigare försök att funktionalisera cellulosa på detta sätt fokuserade på två tidigare former av nanopartiklar - cellulosananofibriller och cellulosananokrystaller. Men dessa ansträngningar gav endast en minimal mängd användbar produkt. Skillnaden den här gången var att McGill -teamet arbetade med hårig nanocellulosa - en ny nanopartikel som först upptäcktes i laboratoriet hos McGill -kemiprofessorn Theo van de Ven.

Van de Ven, som också deltog i forskningen mot skalning, påminner om det ögonblick 2011 då Han Yang, sedan en doktorand i sitt labb, snubblat över den nya formen av nanocellulosa.

"Han kom in på mitt kontor med ett provrör som såg ut som om det hade vatten i det och han sa:'Herr! Min avstängning har försvunnit! ”Säger van de Ven med ett flin.

"Han hade en vit suspension av kraftfibrer och den hade blivit transparent. När något är transparent, du vet direkt att den antingen har lösts upp eller blivit nano. Vi utförde ett antal karakteriseringar och vi insåg att han hade gjort en ny form av nanocellulosa. "

Extremt mångsidighet

Hemligheten för att göra håriga nanocellulosa ligger i att klippa cellulosa -nanofibriller - som består av en omväxlande serie kristallina och amorfa regioner - på exakta platser för att producera nanopartiklar med amorfa regioner som spirar från båda ändarna som så många ostyriga hårstrån.

"Genom att bryta nanofibrillerna som vi gör, du får alla dessa cellulosakedjor att sticka ut som är tillgängliga för kemikalier, "förklarar van de Ven." Det är därför vår nanocellulosa kan funktionaliseras i mycket större utsträckning än andra slag. "

Med tanke på den kemiska mångsidigheten hos hårig nanocellulosa, forskargruppen ser stark potential för applikationer utöver antiskalning, inklusive läkemedelsleverans, antimikrobiella medel, och fluorescerande färgämnen för medicinsk bildbehandling.

"Vi kan koppla nästan alla molekyler du kan tänka dig till hårig nanocellulosa, säger van de Ven.