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Un nouveau type de nanoparticule de cellulose, inventé par des chercheurs de l’Université McGill, est au cœur d’une solution plus efficace et moins dommageable pour l’environnement à l’un des plus grands défis des industries de l’eau: la prévention de l’accumulation du calcaire.

Une solution au calcaire

Formé par l’accumulation de minéraux peu solubles, le calcaire peut nuire gravement au bon fonctionnement de tout équipement servant à la gestion ou au stockage de l’eau, des appareils électroménagers aux installations industrielles. La plupart des agents anticalcaires actuellement utilisés contiennent une grande quantité de dérivés du phosphore; des polluants environnementaux pouvant avoir des conséquences catastrophiques sur les écosystèmes aquatiques.

Dans une série d’articles publiés dans la revue Materials Horizons de la Royal Society of Chemistry et dans Applied Materials & Interfaces de l’American Chemical Society, une équipe de chimistes et d’ingénieurs de McGill décrit comment ils ont développé une solution anticalcaire sans phosphore basée sur une percée dans le domaine de la nanotechnologie avec un nom inhabituel: une nanocellulose poilue.

Un candidat improbable

L’auteur principal, Amir Sheikhi, actuellement boursier postdoctoral du département de bio-ingénierie de l’Université de Californie à Los Angeles, affirme que, malgré ses références écologiques, la cellulose n’était pas un lieu évident pour chercher un moyen de lutter contre le calcaire.

«La cellulose est le biopolymère le plus abondant au monde. Il est renouvelable et biodégradable. Mais c’est probablement l’une des options les moins attrayantes pour un agent anti-calcaire, car il est neutre, il n’a aucun groupe fonctionnel chargé », explique-t-il.

Chercheur post-doctoral auprès du professeur de chimie de l’Université McGill Ashok Kakkar, Sheikhi a mis au point un certain nombre d’anti-calcaires macromoléculaires plus efficaces que les produits largement utilisés dans l’industrie, mais toutes ses découvertes étaient à base de phosphate. Son désir de pousser plus loin ses recherches et de trouver une alternative sans phosphore l’a amené à s’intéresser de plus près à la cellulose.

«La cellulose pileuse nano-conçue s’est avérée encore plus efficace que les molécules phosphorées», explique-t-il. L’équipe de recherche a réussi à faire des groupes carboxyle chargés négativement sur des nanoparticules de cellulose. Le résultat était une particule qui n’était plus neutre mais portait à la place des groupes fonctionnels chargés capables de contrôler la tendance des ions calcium chargés positivement à former du calcaire.

Une particule merveille hirsute une découverte fortuite

Les précédentes tentatives pour fonctionnaliser la cellulose de cette manière se sont concentrées sur deux formes antérieures de nanoparticules – les nanofibrilles de cellulose et les nanocristaux de cellulose. Mais ces efforts n’ont produit qu’une quantité minime de produits. La différence cette fois-ci est que l’équipe de McGill a travaillé avec de la nanocellulose poilue – une nouvelle nanoparticule découverte pour la première fois dans le laboratoire du professeur de chimie de l’Université McGill, Theo van de Ven.

Van de Ven, qui a également participé à la recherche anti-calcaire, se souvient du moment en 2011 où Han Yang, alors étudiant au doctorat dans son laboratoire, est tombé sur une nouvelle forme de nanocellulose. «Il est entré dans mon bureau avec un tube à essai qui semblait contenir de l’eau et il a dit:« Monsieur! Ma suspension a disparu! ”, explique van de Ven avec un sourire.

«Il avait une suspension blanche de fibres kraft et elle était devenue transparente. Quand quelque chose est transparent, vous savez immédiatement qu’il s’est dissous. Nous avons effectué un certain nombre de caractérisations et nous nous sommes rendu compte qu’il avait fabriqué une nouvelle forme de nanocellulose. ”

Dune extrême polyvalence

Le secret de la fabrication de la nanocellulose poilue réside dans la découpe de nanofibrilles de cellulose – composées d’une série alternée de régions cristallines et amorphes – en des emplacements précis pour produire des nanoparticules avec des régions amorphes poussant à chaque extrémité comme autant de mèches indisciplinées.

«En brisant les nanofibrilles comme nous le faisons, vous obtenez toutes ces chaînes de cellulose qui sont accessibles aux produits chimiques», explique van de Ven. « C’est pourquoi notre nanocellulose peut être fonctionnelle dans une bien plus grande mesure que d’autres particules. »

Compte tenu de la polyvalence chimique de la nanocellulose poilue, l’équipe de recherche voit un fort potentiel pour des applications autres que l’anticalcaire, telles que l’administration de médicaments, les agents antimicrobiens et les colorants fluorescents pour l’imagerie médicale. «Nous pouvons associer n’importe quelle molécule à la nanocellulose poilue», déclare van de Ven.

Source : Universite McGill