Les nanocristaux de cellulose – des nanomatériaux biosourcés dérivés de ressources naturelles telles que la cellulose végétale – sont précieux pour leur utilisation dans le traitement de l’eau, l’emballage, l’ingénierie tissulaire, l’électronique, les revêtements antibactériens et bien plus encore. Bien que les matériaux offrent une alternative durable aux matériaux non biosourcés, leur transport en liquide taxe les infrastructures industrielles et entraîne des impacts environnementaux.
Une équipe de chercheurs en génie chimique de Penn State a étudié les mécanismes de séchage des nanocristaux et proposé des nanotechnologies pour rendre les nanocristaux hautement redispersables dans les milieux aqueux, tout en conservant leur pleine fonctionnalité, pour faciliter leur stockage et leur transport. Ils ont publié leurs résultats dans la revue Biomacromolécules. Le travail sera également présenté sur la couverture du journal du 17 janvier.
« Nous avons examiné comment nous pouvions prendre des nanocristaux poilus, les sécher dans des fours et les redisperser dans des solutions contenant différents ions », a déclaré la co-première auteure Breanna Huntington, actuellement doctorante en génie chimique à l’Université du Delaware et ancienne membre du Sheikhi. Groupe de recherche alors qu’il était étudiant de premier cycle à Penn State. « Nous avons ensuite comparé leur fonctionnalité aux nanocristaux de cellulose conventionnels et non poilus. »
Les nanocristaux ont à leurs extrémités des chaînes de cellulose chargées négativement, appelées poils. Lorsqu’ils sont réhydratés, les poils se repoussent et se séparent, se dispersant à nouveau dans un liquide, à la suite d’une répulsion électrostérique – un terme signifiant chargé, ou électrostatique, et dépendant du volume libre, ou stérique.
« Les extrémités poilues des nanocristaux sont nano-conçues pour être chargées négativement et se repousser lorsqu’elles sont placées dans un milieu aqueux », a déclaré l’auteur correspondant Amir Sheikhi, professeur adjoint de génie chimique et de génie biomédical de Penn State. « Pour avoir une fonction maximale, les nanocristaux doivent être des particules individuelles séparées, et non enchaînées comme elles le sont lorsqu’elles sont sèches. »
Une fois les particules poilues redispersées, les chercheurs les ont testées et ont mesuré leur taille et leurs propriétés de surface et ont découvert que leurs caractéristiques et leurs performances étaient les mêmes que celles qui n’avaient jamais été séchées. Ils ont également découvert que les particules pouvaient bien fonctionner et maintenir leur stabilité dans une variété de mélanges liquides de différentes salinités et niveaux de pH.
« Les nanocristaux poilus peuvent se redisperser même à des concentrations élevées de sel, ce qui est pratique, car ils restent fonctionnels dans des milieux agressifs et peuvent être utilisés dans une large gamme d’applications », a déclaré le co-premier auteur Mica Pitcher, doctorant en chimie de Penn State. , supervisé par Sheikhi. « Ce travail peut ouvrir la voie à un traitement durable et à grande échelle des nanocelluloses sans utiliser de méthodes additives ou énergivores. »
Le programme d’expériences de recherche d’été pour les étudiants de premier cycle du Penn State College of Engineering et le programme de bourses d’études supérieures du NASA Pennsylvania Space Grant Consortium ont soutenu ce travail.
