Science-fiction-fans er vilde med ideen, skrevet af Arthur C. Clarke, at "enhver tilstrækkeligt avanceret teknologi kan ikke skelnes fra magi." Med fremkomsten af nanoteknologi, de tilsyneladende mirakuløse materialer, overnaturlig superledning og paranormal fotonik, der har givet næring til fantasi i årevis, ser ud til at være lige rundt om hjørnet.
Alle ved, at magi koster noget, imidlertid, og nogle er begyndt at stille spørgsmålstegn ved, om, når det kolloidale støv lægger sig fra den begyndende nanorevolution, den økologiske balance viser os i det sorte - eller det røde. Blandt dem er forskerne, ingeniører og politikere, der kører grøn nanoteknologi.
Nanoskala partikler er ikke noget unaturligt eller nyt. De forekommer i vulkansk aske, havsprøjt, mineralkompositter og nogle slags bakterier, og vi har arbejdet med dem siden mindst det fjerde århundrede [kilder:Goldman og Coussens; NNI, "Nanoteknologi 101"]. Så hvad er ændret? Avancerede mikroskopi og manipulationsmetoder har nået et vendepunkt, en, der gør os i stand til at samle tinkerlegetøj på skalaen af individuelle atomer og DNA -tråde.
Det er et spændende sted at være.
Et nanometer er en milliarddel af en meter, eller omkring 1/100, 000 tykkelsen på et stykke papir. Hvis en nanopartikel var på størrelse med en marmor, så ville en meter være lige så stor som Jorden [kilde:NNI, "Nanoteknologi 101"]. Denne forbløffende lille størrelse er kun halvdelen af historien, imidlertid. Nanoskalaens virkelige magi ligger i de queer -kvantumregler, der styrer det, og den måde, de skænker materialer med bemærkelsesværdige egenskaber på. Sammenlignet med deres makroskopiske ækvivalenter, nanomaterialer kan være stærkere, bedre til at lede varme eller elektricitet, eller har forskellige magnetiske egenskaber.
Industrien har været hurtig til at udnytte potentialet. Nanoteknologi har allerede fundet vej til hundredvis af forbrugerprodukter og industrielle applikationer, herunder computerchips, biler, sportsudstyr, tøj, kosmetik og kosttilskud. Endnu, vi er stadig kun på tærsklen til, hvad der er muligt.
Efterhånden som fremskridt accelererer, bekymring for miljøet og for folkesundheden har givet anledning til en opfordring til miljøsikkerhed, endda gavnligt, forskning og udvikling i nanoskala.
Grøn nanoteknologi indebærer to separate, men relaterede mål. På den ene side, de bemærkelsesværdige egenskaber, der er mulige på nanoskalaen, lover utallige måder at gøre eksisterende produkter og processer sikrere og mere bæredygtige. På den anden, forskere finder i stigende grad måder at gøre nanoteknologi mindre giftig i hele sin livscyklus. I denne artikel, vi tager en rundvisning i, hvordan disse mange tilgange spiller ud.
Lad os nu lave som en leprechaun og blive små og grønne.
Indhold
Truslen om nanoteknologisk opstået miljøkatastrofe har truet i offentlighedens bevidsthed siden 1987, da Eric Drexler beskrev dommedagens "grå goo" scenario i sin bog "Engines of Creation." I det, selvreplikerende nanomaskiner overskred planeten, multiplicere eksponentielt og forbruge alt i sigte, efterlader intet andet end den titulære nanomachine goo [kilder:Feder; Drexler].
Siden da, mere sandsynlige bekymringer, såsom mangel på tilgængelig information om toksicitet og langsigtede økologiske virkninger af nanopartikler, har domineret diskussionen, men der er også en grønnere måde at se denne lille teknologi på. Nanoteknologi kan faktisk hjælpe med at forbedre miljøet, både ved at tackle uoverkommelige eksisterende problemer (kaldet gamle problemer ) og ved at konstruere bæredygtige løsninger for fremtiden.
Ældre problemer er rundt omkring os. Mens Fukushima Daiichi -atomkraftværket strålelækage og andre hændelser dominerer nyhederne, mere almindelige afhjælpningsudfordringer står dagligt over for lokalsamfund, fra oprydning af tidligere tankstationer til håndtering af de mere end 1, 500 Superfund -websteder alene i USA [kilde:EPA, "Superfunds nationale prioriteringsliste"].
Jern i nanoskala tilbyder en sikker tilgang til neutralisering af chlorerede organiske opløsningsmidler, organiske klorbaserede pesticider som DDT og polychlorerede biphenyler (PCB'er). Tilsæt jernnanopartikler til tetrachlorethen (et almindeligt opløsningsmiddel, der bruges til renseri), og jernet oxiderer, eller ruster, frigør elektroner. Reaktionen tapper disse elektroner op, forlader ethene, et naturligt forekommende kulbrinte.
Oprydningshold kan injicere nanoskalajern under tryk i forurenet jord, hvor dens lille størrelse gør det muligt at transportere det i grundvand eller efterlade det på stedet til langsigtet udbedring. Off-site, de er lige så nyttige i gyllereaktorer eller filtreringssystemer. Forskere undersøger i øjeblikket applikationer til brug af nanoskalajern til også at håndtere tungmetaller og radionuklider [kilde:Zhang].
Vi vender os måske til nanoteknologi for at imødekomme mere grundlæggende sundhed, mad og sikkerhedsbehov, også. For eksempel, nanoskala vandfiltreringssystemer, der transformerer forurenet, brak eller spildevand i drikkevand ved trykfiltrering gennem porerne for små til bakterier eller vira har været i brug i mere et årti [kilde:Bradbury].
Nu hvor vi har ryddet op og mere til, lad os se på nogle af de måder, hvorpå nanoteknologi gør vores fremtid grønnere, også.
ForureningsløsningerEn af de vigtigste måder, nanoteknologi kan reducere forurening på, er igennem dematerialisering - reduktion af materialer, der kræves til fremstilling. Produkter, der kan samles selv af små komponenter, bruger meget mindre materiale end dem, vi bygger ovenfra og ned, som genererer affald og ofte kræver opløsningsmidler og kemiske processer. I mellemtiden, forskere udvikler også geniale måder at overvåge forurening, såsom nanosensorer, der biokemisk kan påvise kontaminering og patogener, i realtid og over store områder [kilde:EPA, "Nanoteknologi:Sensorer"].
Nanoteknologi lover at forbedre vores miljømæssige udsigter ved at få os mere bang for vores energibuk og reducere vores afhængighed af fossile brændstoffer. For at se hvordan, overvej din familiebil. Køretøjer konstrueret selv delvist af nanomaterialer kan være lettere, og derfor mere brændstofeffektive, uden at ofre styrke eller sikkerhed. Under kølerhjelmen, nanofiltre kan tage gunk ud af din juice, så din tur pumper mindre forurening ud og lider mindre slid på motoren. Nanocoatings kan gøre forruder og malerarbejde selvrensende til opstart.
Grønne maskiner som hybrider og brintkøretøjer kan drage fordel af endnu mere. Ingeniører udvikler allerede brændselsceller fyldt med kulnanorør for at lagre brint og øge reaktiviteten. Carbon nanorør kan også en dag erstatte dyr platin som brintbrændstofcellekatalysator, nedskæring af omkostninger [kilde:Battersby].
Tak til nanofotonik , undersøgelse af lysets adfærd på nanoskalaen, nanoteknologi dækker også dit energibehov derhjemme og på kontoret. Forskere har udviklet vinduer, maling og filmbelægninger, som de kan "tune" til at reflektere eller transmittere specifikke bølgelængder af solstråling, herunder den infrarøde energi, som vi oplever som varme [kilde:Feder]. Det er som at gøre hele dit hus til en solskærm om sommeren og et rumtæppe om vinteren.
Mere effektiv nanoelektronik vil oversætte til dimser, der sluger mindre energi og lagrer den mere effektivt-en rigtig velsignelse i vores gadget-gonzo-alder [kilde:Chmiola]. Quantum prikker , aka halvledende nanokrystaller, snart kunne drive en displayteknologi, der pakker både effektivitet og lang levetid for økologisk lysdioder ( OLED'er ) og holdbarheden af katodestrålerør (CRT'er) og flydende krystaldisplays (LCD'er) [kilde:Dumé].
Længere oppe i energirørledningen, nanovidenskab giver håb om at forstærke alternative energikilder. Solpaneler trykt ved hjælp af nanopartikler kræver færre komponenter til at fungere, hvilket betyder, at der er mindre at reparere, vedligeholde eller senere begrave på en losseplads. Med lavere driftsomkostninger, sådanne paneler kan levere mindre strøm og stadig være rentable [kilde:Markoff]. Forskere har også drømt om en måde at udvinde energi fra saltholdighedsforskellen mellem havvand og flodvand. Teknikken er baseret på batterier, der består af elektroder, der stritter med nanoroder [kilde:La Mantia].
Nu tænker du sikkert, "Det er godt og godt, men hvor grønne kan nanoteknologiløsninger være, hvis det bygger et giftigt rod? "Som vi vil se i dette næste afsnit, mange forskere og ingeniører er bekymrede over netop disse spørgsmål, og stræber efter at gøre nanoteknologi grønnere fra starten.
Det lille vidunder af overfladearealetForholdet mellem noget overfladeareal og dets volumen påvirker dets energibalance og reaktivitet. Ideelt set, at bygge en mere effektiv elektrode eller katalysator, du ville simpelthen pakke så meget overfladeareal som muligt ind i et givet volumen. Desværre, dette magiske forhold falder, når tingene skaleres op, især i kompakte former som kugler eller firkanter.
Tricket er at bruge en mindre kompakt form, såsom et rør. Som det fremgår af menneskelige tarme og lungebrachia, lang, tynde strukturer blokerer meget overfladeareal til et lille rum. Med det i tankerne, det er ingen overraskelse, at forskere i øjeblikket tilføjer nanorør til lysdioder, brændstofceller, elektriske apparater og katalysatorer.
Læs mere
I betragtning af den miljømæssige ødelæggelse forårsaget af andre tilsyneladende fordelagtige stoffer, såsom DDT, det er ikke underligt, at vi hilser mærkelige opfindelser som kulstofnanorør og kvantepunkter med skepsis, især når vi ved så lidt om deres langsigtede virkninger eller toksicitet [kilde:Goodman].
Yderligere næring til disse bekymringer er medicinske fund, der afslører de skadelige virkninger af visse nanopartikler, såsom carbon nanorør, som forårsager lungegranulomer (kugler af celler forbundet med sygdom) ved indånding af rotter. Virkningerne af andre nanopartikler er fortsat uafklarede - især hvad angår mennesker - men undersøgelser peger på nanoserede ingredienser i nogle solcremer som forårsager hjerneskade hos mus og regnbueørreder gennem oxidativ stress [kilder:Karn; Choi; Raloff].
Naturlige alternativer til nanoskala fremstilling kan være nøglen til at afbøde sådanne problemer. I tilfælde af solcreme, for eksempel, forskere har fundet en potentielt sikrere nanopartikel i engelsk vedbend. Vinstokkens berygtede ihærdighed udspringer af en gullig "superlim", der emmer af dens slynger, som er sammensat af nanopartikler fire gange mere effektive som solcreme end titandioxid eller jernoxid. Partiklerne er bionedbrydelige, vandtæt og blokerer kun UV-stråler [kilde:Raloff].
Ideelt set, syntetisk nanoskala konstruktion ville fungere som en celle, ved hjælp af enkle, ikke -giftige stoffer ved stuetemperatur for at samle et produkt fra bunden og derefter genbruge eller effektivt ødelægge resterne. Indtil sådanne teknikker er mulige, grønne forskere søger i stigende grad at bruge naturlige processer til inspiration og efter sikre alternativer til opløsningsmidler og andre farlige processer.
Forskere har allerede fundet måder at bruge bestemte bakterier til at skabe nanosfærer af selen, tellur, zinkselenid og cadmiumselenid ved stuetemperatur, reducere afhængigheden af høje temperaturer, tryk og farlige kemikalier [kilde:NNI, "U.S. Geological Survey (USGS)"].
Naturlige kemikalier, såsom fytokemikalier, der naturligt forekommer i planter, præsentere et andet grønt alternativ. Tag guld i nanoskala, et stof med anvendelser i brændselsceller kemiske sensorer og biologiske værktøjer [kilder:Tufter; Greenberg]. Hvad der engang krævede store mængder brandfarlige og eksplosive giftige opløsningsmidler, kan nu fremstilles kun ved hjælp af et guldsalt (en elektrisk neutral forbindelse af guld) og en opløsning af Darjeeling -te, kanel eller spidskommen [kilder:Schmidt, Nune et al.].
Så spændende som mulighederne er, indtil videre er de mest inspirerende grønne nanoteknologier tilbage i forskernes fantasi. Hvis eller når de udvikles, de har brug for økonomisk opbakning og markedsstøtte for at hjælpe dem med at blive overkommelige og opnå udbredt brug [kilde:Goodman].
Indtil da, vi kan alle gøre vores for at gøre Jorden til et mere bæredygtigt sted - på alle skalaer.
Nanopartikler i menneskekroppenFordi nanopartikler er så små, de ignorerer de fleste af de beskyttende strukturer i kroppen, herunder blod-hjerne-barrieren, der beskytter vores grå stof mod skadelige stoffer. Ved indånding eller injektion, disse små stuvninger cirkulerer gennem blodbanen og aflejres i organer og væv, hvor de kan bygge op. Når kroppens immunrespons starter, det kan forårsage overproduktion af visse kemikalier:dem, der er nødvendige for metabolisme, men giftig, når den smides ud af balance. Denne "oxidative stress" er især skadelig for organer med høje metaboliske krav, ligesom hjernen [kilde:Lang].
Kilder
Sidste artikelSådan fungerer Green Engineering
Næste artikel10 Mulige transportforureningsløsninger