Nanotechnologie: un antitartre écologique qui décoiffe
Publié par Adrien le 12/11/2018 à 08:00
Source: Université McGill
Des chercheurs de l'Université McGill ont mis au point un nouveau type de nanoparticule de cellulose offrant une solution plus efficace et plus écologique à l'un des principaux problèmes des industries utilisant des ressources hydriques: l'accumulation de tartre.

Dépôt causé par l'accumulation de minéraux peu solubles, le tartre peut nuire sérieusement au fonctionnement d'à peu près n'importe quelle pièce servant au transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par...) ou à l'entreposage de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), du plus petit électroménager (Le terme électroménager caractérise tous les appareils et outils utilisant l'électricité et, destinés à assurer des besoins domestiques, par...) aux installations industrielles les plus complexes. La plupart des agents antitartre sur le marché ont une forte teneur en dérivés du phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et de numéro atomique 15.), polluants aux effets éventuellement catastrophiques pour les écosystèmes aquatiques.


Un antitartre écologique à base de nanoparticules.
Utilisée comme agent antitartre dans le contenant de droite, la nanocellulose chevelue empêche l'accumulation des minéraux qui ralentissent le débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.) dans le contenant de gauche.

Dans des articles publiés dans Materials Horizons et Applied Materials & Interfaces, revues de la Royal Society of Chemistry (La Royal Society of Chemistry est une société savante située au Royaume-Uni dont le but est "l'avancement des sciences chimiques". Cette organisation contribue à des recherches, publie des journaux scientifiques, des livres et...) et de l'American Chemical Society, respectivement, une équipe de chimistes et d'ingénieurs chimistes de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) McGill décrivent l'élaboration d'une solution antitartre exempte de phosphore grâce à une percée nanotechnologique au nom pour le moins insolite: nanocellulose chevelue.

Un candidat inattendu

Comme le souligne Amir Sheikhi, auteur principal de l'étude et aujourd'hui boursier postdoctoral au Département de génie biologique de l'Université de la Californie à Los Angeles (Los Angeles est une ville des États-Unis située au sud de la Californie, sur la côte pacifique. Les Américains l'appellent souvent par son diminutif L.A. prononcé « él ey ». Cette ville est le chef-lieu du comté portant le...), malgré son bilan écologique avantageux, la cellulose était loin d'être le candidat antitartre tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) désigné.

"La cellulose est le biopolymère le plus abondant sur la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en...). Mais bien qu'elle soit renouvelable et biodégradable, elle est probablement l'une des options les moins intéressantes comme tartrifuge. La raison ? Elle est neutre, c'est-à-dire dépourvue de groupement fonctionnel porteur d'une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.)", explique-t-il.

Lorsqu'il travaillait comme boursier postdoctoral dans le laboratoire d'Ashok Kakkar, professeur de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) à l'Université McGill, Amir a élaboré quelques tartrifuges macromoléculaires plus efficaces que les produits d'emploi courant en milieu industriel, mais tous étaient à base de phosphonate. Désireux de trouver une solution exempte de phosphore, il s'est intéressé à la cellulose.

"Finalement, la nanocellulose chevelue, issue de la nanotechnologie (Les nanosciences et nanotechnologies (NST) peuvent être définies a minima comme l'ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de structures, de dispositifs et de systèmes matériels à l'échelle...), s'est révélée plus efficace encore que les molécules à base de phosphonate", se remémore-t-il.

L'équipe a réalisé une percée en fixant des groupes carboxyles porteurs d'une charge négative à des nanoparticules de cellulose. Dès lors, les nanoparticules n'étaient plus neutres: grâce à leurs groupes fonctionnels porteurs d'une charge, elles pouvaient empêcher les ions calcium (de charge positive) de former du tartre.

Découverte fortuite d'une super particule un brin hirsute

On avait déjà tenté de fonctionnaliser ainsi la cellulose, mais ces tentatives antérieures portaient sur deux formes plus anciennes de nanocellulose, soit les nanofibrilles et les nanocristaux. L'ennui, c'est que l'on n'obtenait qu'une infime quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de produit utile. Mais cette fois, l'équipe de l'Université McGill a travaillé à partir de nanocellulose chevelue, nanoparticule découverte dans le laboratoire de Theo van de Ven, professeur de chimie à McGill.

Le Pr Van de Ven, qui a lui aussi participé à la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) d'un tartrifuge, se souvient de ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure...) de 2011 où Han Yang, alors doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une durée...) dans son laboratoire, a découvert par hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à...) cette nouvelle forme de nanocellulose.

"Il est entré dans mon bureau avec une éprouvette qui contenait ce qui ressemblait à de l'eau et s'est exclamé: “Monsieur ! Ma suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des...) est disparue!”", raconte le professeur en souriant.

"Sa suspension blanche contenant des fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) krafts était, en effet, devenue transparente. Lorsqu'une substance est transparente, c'est soit qu'elle s'est dissoute, soit qu'elle s'est transformée en nanoparticules. Nous avons procédé à quelques caractérisations et avons constaté qu'il venait de fabriquer une nouvelle forme de nanocellulose."

Grande polyvalence

Pour fabriquer de la nanocellulose chevelue, il faut couper les nanofibrilles de cellulose - constituées de régions cristallines et amorphes disposées en alternance - à des endroits précis afin que les régions amorphes des nanoparticules surgissent aux deux extrémités, un peu à la manière de mèches de cheveux rebelles.

"En scindant les nanofibrilles, nous faisons jaillir les chaînes de cellulose, qui sont dès lors à la portée des produits chimiques", explique le Pr van de Ven. "Notre nanocellulose peut donc être fonctionnalisée en très grande partie, beaucoup plus que les autres formes."

En raison de la polyvalence chimique de la nanocellulose chevelue, l'équipe de chercheurs entrevoit de nombreuses autres applications, notamment: administration de médicaments, agents antimicrobiens et colorants fluorescents en imagerie médicale (L'imagerie médicale regroupe les moyens d'acquisition et de restitution d'images à partir de différents phénomènes physiques (Résonance magnétique, réflexion d'ondes ultrasons,...).

"À peu près n'importe quelle molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les...) peut être liée à la nanocellulose chevelue", conclut Theo van de Ven.

Références

L'article "Overcoming Interfacial Scaling Using Engineered Nanocelluloses: A QCM-D Study", par Amir Sheikhi, Adam L. J. Olsson, Nathalie Tufenkji, Ashok Kakkar et Theo G. M. van de Ven, a été publié en ligne dans ACS Applied Materials & Interfaces le 11 septembre 2018. doi:10.1021/acsami.8b07435 - https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b07435

L'article "Nanoengineering colloidal and polymeric celluloses for threshold scale inhibition: towards universal biomass-based crystal modification", par Amir Sheikhi, Ashok Kakkar et Theo G. M. van de Ven, a été publié dans Materials Horizons 2018, 5, 248-255. doi:10.1039/C7MH00823F - https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/mh/c7mh00823f
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