Un nuevo tipo de nanopartículas de celulosa, inventado por investigadores de la Universidad McGill, está en el corazón de una solución más efectiva y menos dañina para el medio ambiente para uno de los mayores desafíos que enfrentan las industrias basadas en el agua:prevenir la acumulación de sarro.

Formado por la acumulación de minerales poco solubles, La escala puede afectar seriamente el funcionamiento de casi cualquier equipo que conduzca o almacene agua, desde electrodomésticos hasta instalaciones industriales. La mayoría de los agentes antiincrustantes actualmente en uso son ricos en derivados de fósforo, contaminantes ambientales que pueden tener consecuencias catastróficas para los ecosistemas acuáticos.

En una serie de artículos publicados en la Royal Society of Chemistry Materiales Horizontes y de la American Chemical Society Materiales e interfaces aplicados , un equipo de químicos e ingenieros químicos de McGill describe cómo han desarrollado una solución anti-incrustaciones sin fósforo basada en un avance de la nanotecnología con un nombre inusual:nanocelulosa peluda.

Un candidato poco probable

El autor principal, Amir Sheikhi, ahora es un becario postdoctoral en el Departamento de Bioingeniería de la Universidad de California, Los Angeles, dice que a pesar de sus credenciales ecológicas, la celulosa no era un lugar obvio para buscar una forma de luchar contra la escala.

"La celulosa es el biopolímero más abundante en el mundo. Es renovable y biodegradable. Pero probablemente sea una de las opciones menos atractivas para un agente antiincrustante porque es neutral, no tiene grupos funcionales cargados, " él dice.

Mientras trabajaba como becario postdoctoral con el profesor de química de McGill, Ashok Kakkar, Sheikhi desarrolló una serie de antiincrustantes macromoleculares que eran más efectivos que los productos ampliamente utilizados en la industria, pero todos sus descubrimientos se basaron en fosfonatos. Su deseo de impulsar su investigación más allá y encontrar una alternativa libre de fósforo lo llevó a examinar más de cerca la celulosa.

"La celulosa peluda diseñada por nanoingeniería resultó funcionar incluso mejor que las moléculas fosfonadas, " él dice.

El gran avance se produjo cuando el equipo de investigación tuvo éxito en la nanoingeniería de grupos carboxilo cargados negativamente en nanopartículas de celulosa. El resultado fue una partícula que ya no era neutra, pero en cambio portaban grupos funcionales cargados capaces de controlar la tendencia de los iones de calcio cargados positivamente a formar incrustaciones.

Partícula de maravilla hirsuta un descubrimiento casual

Los intentos anteriores de funcionalizar la celulosa de esta manera se centraron en dos formas anteriores de nanopartículas:las nanofibrillas de celulosa y los nanocristales de celulosa. Pero estos esfuerzos produjeron solo una cantidad mínima de producto útil. La diferencia esta vez fue que el equipo de McGill trabajó con nanocelulosa peluda, una nueva nanopartícula descubierta por primera vez en el laboratorio del profesor de química de McGill, Theo van de Ven.

Van de Ven, que también participó en la investigación anti-escalamiento, recuerda el momento en 2011 cuando Han Yang, luego un estudiante de doctorado en su laboratorio, tropecé con la nueva forma de nanocelulosa.

"Vino a mi oficina con un tubo de ensayo que parecía tener agua y dijo:'¡Señor! ¡Mi suspensión ha desaparecido! '”, Dice van de Ven con una sonrisa.

"Tenía una suspensión blanca de fibras kraft y se había vuelto transparente. Cuando algo es transparente, sabes inmediatamente que se ha disuelto o se ha vuelto nano. Realizamos una serie de caracterizaciones y nos dimos cuenta de que había creado una nueva forma de nanocelulosa ".

Extrema versatilidad

El secreto para hacer nanocelulosa peluda radica en cortar nanofibrillas de celulosa, que están formadas por una serie alterna de regiones cristalinas y amorfas, en lugares precisos para producir nanopartículas con regiones amorfas que brotan de ambos extremos como si fueran hebras de cabello rebeldes.

"Al romper las nanofibrillas como lo hacemos, se salen todas estas cadenas de celulosa que son accesibles a los productos químicos, "explica van de Ven." Es por eso que nuestra nanocelulosa se puede funcionalizar en un grado mucho mayor que otros tipos ".

Dada la versatilidad química de la nanocelulosa peluda, el equipo de investigación ve un gran potencial para aplicaciones más allá del anti-escalamiento, incluida la administración de fármacos, agentes antimicrobianos, y tintes fluorescentes para imágenes médicas.

"Podemos vincular casi cualquier molécula que se te ocurra con la nanocelulosa peluda, "dice van de Ven.