Løftet og faren ved nanoteknologi

Forskere ved Northwestern University har fundet en måde at opdage metastatisk brystkræft ved at arrangere DNA-strenge i kugleformede former og bruge dem til at dække en lille partikel af guld, skabe en "nano-flare", der kun lyser op, når den finder brystkræftceller. På MIT, forskere forsøger at øge planters fotosyntesekapacitet ved at indlejre små kulstofrør kaldet nanorør i kloroplaster. De håber med tiden at udvikle anlæg med evnen til at overvåge miljøforurening, pesticider, svampeinfektioner, eller udsættelse for bakterielle toksiner. Dette er blot to eksempler på igangværende forskning i nanoteknologi, et af de hurtigst voksende områder inden for videnskab, teknik og industri, der bruges i flere og flere forbrugerprodukter hver dag.

Nanoteknologi omfatter produktion og manipulation af materialer i en lille skala - målt i milliardtedele af en meter, eller nanometer. Det involverer nogle gange lag af materiale, der kun er et enkelt atom tykt - omkring 0,2 nanometer. Til sammenligning, et menneskehår er 80, 000 nanometer; et DNA-molekyle er 2-2,5 nm.

Nanopartikler findes i naturen - i støv, skovbrand, vulkaner, metaller, osv. Men nanoteknologi involverer generelt konstruerede materialer (som kan omfatte naturlige nanopartikler) med mindst én dimension, der måler 100 nm eller mindre. På nanoskala, fysikkens klassiske love gælder ikke længere, hvilket resulterer i, at materiale antager forskellig optisk, elektriske eller magnetiske egenskaber, end det ville have i en mere omfangsrig form. Dette skyldes blandt andet, at materiale på nanoskala har et relativt større overfladeareal i forhold til dets volumen end det samme materiale i bulkform.

Det er fordi nanomaterialer har disse ændrede egenskaber, at de er så nyttige. De kan have øget kapacitet til at lede eller modstå elektricitet, fremragende farverenhed, forbedret varmelagring eller overførselsevne, ekstra optagelighed, eller antibiotiske egenskaber. På nanoskala, kobber, normalt uigennemsigtig, bliver gennemsigtig; stabilt aluminium bliver brændbart; og guld, sædvanligvis solid, bliver en væske. Nano sølv, en antibakteriel, bruges i bandager, sokker og mademballage. Zinkoxidnanopartikler findes i solcreme og kosmetik. Nano titaniumdioxid bruges i medicinkapsler, kosttilskud, fødevaretilsætningsstoffer, hudcremer, og tandpasta; og i fødevarer som kokos og yoghurt som blegemiddel.

Nanoteknologi involverer skabelsen af ​​nanostrukturer som kulstofbaseret grafen (et ark af kulstofatomer 1 atom tykt) eller kulstofnanorør (et rør af kulstofatomer), som er fremragende ledere af elektricitet; samt brug af nanopartikler, der kombineres med andre materialer for at optimere visse egenskaber.

Forskere, der arbejder i nanoteknologi, bruger normalt molekyler som byggesten. Som et eksempel, de kan lave noget delvist af silicium, kombineret med et organisk molekyle og nogle nano-widgets for at producere en mangefacetteret nanostruktur, der ikke ligner noget, der findes i naturen, forklarede James Yardley, administrerende direktør for Columbia Universitys Nanoscale Science and Engineering Center. Materialevalget afhænger ofte af forskningsområdet. Elektronikforskere, for eksempel, arbejder ofte med silicium eller kulstof; bioteknologiske forskere arbejder med større organiske molekyler; og materialeforskere kan bruge jern, stål eller krom.

Columbias Nanoscale Science and Engineering Center, et af de første videnskabs- og ingeniørcentre i nanoskala etableret af National Nanotechnology Initiative, fokuserer sin forskning på elektronik. Forskere her, pionerer inden for forskning i grafen (det stærkeste materiale, mennesket kender pr. vægtenhed), ved at finde ud af, hvordan man bruger det til at erstatte silicium, afgørende i halvledere og mange elektroniske produkter. De bruger det til at udvikle applikationer til solceller, touchskærme og sensorer. Centret arbejder også med kulstof nanorør, som muliggør udviklingen af ​​nye elektroniske enheder; og bygge solcelleanlæg på nanoskala for at gøre dem meget mere effektive.

Hver dag, forskere kommer med nye applikationer til nanoteknologi. Et internationalt nanoforskningscenter har skabt et nanofibernet, der kan fjerne giftstoffer fra blodet, hvilket kunne eliminere behovet for dialyse for patienter med nyresvigt. Det er for nylig lykkedes schweiziske forskere at fremstille ensartede antimon-nanokrystaller, som kan lagre et stort antal lithium- og natriumioner, og kunne en dag bruges til at producere batterier med høj energitæthed.

I fremtiden, nanoteknologi forventes at gøre kommunikations- og informationsteknologier hurtigere og billigere, og skabe superhårde materialer. Inden for medicin, nanomaterialer vil blive brugt som bittesmå sensorer til at opdage sygdom eller som chips til at overvåge kropslige processer, til implantater, og som lægemiddelleveringssystemer, der kan målrette mod specifikke celler. Nanomaterialer vil være i stand til at filtrere forurenende stoffer fra miljøet eller fjerne dem fra spildevand. Nanoteknologi vil gavne rumudforskning ved at gøre lettere køretøjer og mindre robotsystemer mulige. Nanodetektorer af kemiske og biologiske agenser vil forbedre den nationale sikkerhed. Nogle videnskabsmænd forudsiger, at en dag, de vil være i stand til at skabe programmerbare nanomatter, hvis egenskaber kan kontrolleres eller ændres.

"Nanovidenskab er et eksempel på en virkelig grænse inden for grundvidenskab, der virkelig har potentialet til at revolutionere så mange aspekter af hverdagens eksistens, " sagde Michael Purdy, Executive Vice President for forskning ved Columbia University. "Om få årtier, vi vil se nogle store revolutioner, og det er virkelig fysik, der har givet disse nye gennembrud." Han er især begejstret for den nye materialeforskning, som giver mulighed for at udvikle superledende materialer og stadig mere effektive solpaneler.

I dag, der er allerede mere end 1, 600 produkter på markedet, der indeholder nanomaterialer:krøllejern, køleskabe, bilvoks, projektionsskærme, blæk, iPhones, bærbare computere, håndklæder, hus maling, tøj, solbriller, tandbørster, sutter, vaskemiddel, plys legetøj, tennisketchere, halsspray, madbeholdere ... og mange flere.

I USA, fabrikanter er ansvarlige for at sikre, at deres produkter opfylder alle lov- og sikkerhedskrav, herunder produkter, der involverer nanoteknologi. Der er ingen specifikke regler for nanoteknologi, ej heller nogen mærkningskrav for produkter, der indeholder nanomaterialer.

Men ved vi nok om denne nye teknologi til at forstå, hvad de potentielle utilsigtede påvirkninger på menneskers sundhed og miljøet kan være? Efterhånden som nanomaterialer bliver mere udbredt, offentligheden og dem, der arbejder med dem, vil i stigende grad blive udsat for dem. Siden 2001 har den føderale regering har investeret næsten 20 milliarder dollars i nanoteknologisk forskning gennem National Nanotechnology Initiative, men kun 750 millioner dollars på at studere miljø- og sundhedspåvirkningerne og sikkerheden ved nanoteknologi.

Mens nanostrukturer normalt er indlejret i større enheder og forbliver ret stabile, nanopartikler, på grund af deres størrelse, kan inhaleres, indtages og absorberes gennem huden og øjnene.

De kan komme ind i celler, nerver, æggestokke, lymfeknuder og muskler og krydser blod-hjerne-barrieren. De kan ophobes i lungerne, lever eller hjerne. Nogle nanopartikler kan påvirke immunsystemet og cellernes evne til at håndtere patogener.

Forskere har fundet ud af, at når rotter inhalerede manganoxid-nanomaterialer indåndet dagligt af fabrikssvejsere, nanopartiklerne satte sig i deres hjerne og lunger, udløser tegn på inflammation og cellulær stress. Ved test på hårløse mus, titaniumdioxid nanopartikler, almindeligvis brugt til at blokere solstråler uden den hvide pastiness, fremkaldt ældning af huden. Efter at have blandet nano-titaniumdioxid i drikkevandet fra mus i to år, videnskabsmænd opdagede, at musene havde betydelig DNA- og kromosomskade. Kulstofnanorør indført i maven på mus opførte sig som asbest, forårsager betændelse og læsioner.

Det er uundgåeligt, at konstruerede nanopartikler gradvist vil blive frigivet til miljøet gennem lækage fra produktion og transport af produkter, brug, og affaldsmaterialer. De vil komme i luften, jord og vand. Nano sølv, som er antibiotika, kunne finde vej fra lossepladser, spildevandsrensningsanlæg og industrianlæg ind i økosystemer, hvor det kan være giftigt for vand- og landdyr.

Center for miljømæssige konsekvenser af nanoteknologi, et andet center etableret af National Nanotechnology Initiative, studerer nanomaterialers adfærd og deres potentielle biologiske, miljømæssige og økologiske påvirkninger.

Over fem år, centret udsatte planter og mikrober for nano-sølv og fandt ud af, at selv når de fik en lav dosis, planterne og mikroberne producerede omkring en tredjedel mindre biomasse, hvilket indikerer stress.

På grund af deres relativt store overfladeareal, konstruerede nanopartikler er meget reaktive. Ifølge National Nanotechnology Initiative, nanomaterialer, der frigives til miljøet, kan omdannes af miljøforhold som temperatur og saltholdighed, naturen af ​​et levested, og tilstedeværelsen af ​​andre forurenende stoffer. De transformerede nanomaterialer kan igen ændre atmosfærisk, jord, eller vandkemi. Og disse transformationer kan ændre formen på de nanomaterialer, som mennesker og økosystemer udsættes for.

Benjamin Bostick, en miljøkemiker og forskningslektor ved Lamont Doherty Earth Observatory, studerer, hvordan visse nanopartikler transformerer sig i miljøet for at forstå, om de er gode eller dårlige, hvordan de bevæger sig i miljøet og deres giftighed.

"Nanopartikler er ikke nødvendigvis sikre eller farlige, " han sagde, "Du skal vide, hvad deres vælgere er." Deres toksicitet er påvirket af deres størrelse, kemisk sammensætning, form, overfladestruktur, overfladeladning, opløselighed, hvordan de aggregeres og tilstedeværelsen af ​​andre kemikalier.

En lang række faktorer skal tages i betragtning, når man vurderer sikkerheden og virkningerne af nanopartikler, og de skal studeres i komplekse realistiske miljøer over tid for nøjagtigt at forudsige deres virkninger. I de næste fem år, Center for Miljømæssige Implikationer af Nanoteknologi vil se på, hvordan nanomaterialer overføres mellem organismer, hvordan de bioakkumuleres i fødevæv, samspillet mellem nanopartikler og miljøforurenende stoffer, og virkningen af ​​lavdosis og langvarig eksponering for nanopartikler på økosystemer.

"En del af formålet med den forskning, der foregår i centret, er at hjælpe samfundet med at definere, hvilke regler der vil sikre en høj grad af sikkerhed ... forskerne arbejder tæt sammen med EPA, og OSHA, og hele sættet af agenturer, " sagde Yardley.

Nanomaterialer er i øjeblikket omfattet af forskellige love under U.S. Environmental Protection Agency (EPA), Food and Drug Administration (FDA), og Occupational Safety and Health Administration (OSHA), men agenturerne begynder at se specifikt på de risici, som nanoteknologien udgør.

Bostick advarede mod at male alle nanopartikler med en bred pensel.

"Vi er nødt til at tænke på de nanopartikler, der er farlige og finde ud af, hvordan vi bruger dem sikkert eller finde alternativer. Men vi bør ikke gruppere alle nanopartikler i én kategori, så de sikre ikke kan bruges. Vi skal skelne mellem dem, " han sagde.

EPA vurderer i øjeblikket sundheds- og sikkerhedsvirkningerne af visse nanomaterialer:kulstofnanorør, ceriumoxid, titandioxid, nano sølv, jern og mikroniseret kobber. I april 2012 FDA udsendte to udkast til vejledningsdokumenter om brugen af ​​nanoteknologi i fødevarer og kosmetik. Virksomheder, der bruger nanopartikler i fødevaretilsætningsstoffer eller emballage, blev rådet til at rådføre sig med FDA og demonstrere, at deres produkter er sikre, før de sælges. Kosmetikvirksomheder, der bruger nanoteknologi, blev opfordret til at udføre yderligere sikkerhedstest. Der er endnu ikke udsendt nogen endelig vejledning.

Berkeley, Californien, er den første og eneste by i USA, der regulerer nanoteknologi. Det kræver, at producenter og håndterere af nanopartikler afslører toksikologiske, miljø- og sikkerhedsinformation til byens afdeling for toksikhåndtering.

Mens Yardley har tillid til vores eksisterende reguleringssystem, og hvordan det fungerer, han erkendte, "Der skal være ændringer i vores lovgivningsmæssige definitioner af materialer og kategorier ... disse ting har ikke kun kemisk sammensætning, men de har en størrelse og form, og overfladefunktionalisering, og alle disse ting bestemmer toksiciteten i materialer på nanoskala. … Helt sikkert, arten af ​​vores regler skal ændres, og de bliver nødt til at overveje disse funktioner. Og vi bliver nødt til at bekymre os om effekter fra vugge til grav."

I mellemtiden forbrugere, der ønsker at undgå produkter, der indeholder nanomaterialer eller nanopartikler, bør undgå tekstiler, kosttilskud og kosmetik mærket "nano, " "ultrafin, " "mikroniseret" eller "antimikrobiel." Undgå biofast gødning, nogle gange kaldet "organisk" gødning, da de ofte indeholder nano-sølv. USDA økologiske certificerede produkter indeholder ikke nanomaterialer, men "økologisk" eller "helt naturlig" kosmetik kan.