Vand har betydning for metalnanopartikler

Når du køber alt fra makeup til maling til solcreme, chancerne er, at det indeholder konstruerede nanopartikler. Disse materialer i nanoskala har egenskaber, der revolutionerer produkter - fra medicin til landbrug til elektronik. Men til sidst, disse nanopartikler vil nå naturlige miljøer. For at bruge dem sikkert og til deres fulde potentiale, vi er nødt til at vide, hvordan de opfører sig i virkelige miljøer – og om den adfærd fører til utilsigtede konsekvenser.

Greg Lowry, professor i civil- og miljøteknik ved Carnegie Mellon University, undersøger, hvordan nanopartikler opfører sig i og påvirker miljøet. En måde, forskere har studeret nanopartiklernes skæbne på, er ved at spore guldnanopartikler - fordi de er stabile og nemme at finde, eller det troede forskere.

For nylig, Lowry og post-doc-forsker Astrid Avellan har gjort en banebrydende opdagelse:guldnanopartikler opløses faktisk i ferskvandsmiljøer, når de kommer i kontakt med mikroorganismer, der findes på vandplanter. Under opløsningsprocessen, guldioner frigives, som vil opføre sig anderledes end nanopartiklerne og kunne være giftig for nogle mikroorganismer. Undersøgelsen målte ikke toksicitet, så det betyder ikke, at guldnanopartikler er skadelige - i stedet, ved bedre at forstå deres adfærd i biologisk aktive miljøer, videnskabsmænd kan i sidste ende bruge denne viden til at designe bedre nanomaterialer. Deres resultater blev offentliggjort i Natur nanoteknologi .

"Denne undersøgelse har åbnet vores øjne for vigtigheden af ​​planter og plantemikrobiomet til at bestemme skæbnen for konstruerede nanomaterialer i ferskvandsmiljøer, " sagde Lowry. "Disse planter, og biofilm generelt, er vigtige dræn til nanomaterialer og er et fascinerende rum at studere."

Holdet så på præcis, hvad der forårsager denne transformation, og hvor hurtigt det sker. De udførte deres test i det, der kaldes et mesokosmos - et kontrolleret naturligt ferskvandsmiljø. Mesokosmos, til huse på Center for Environmental Impplications of NanoTechnology ved Duke University, indeholder jord, bundfald, vand, planter, insekter, fisk, og mikroorganismer, der normalt lever i disse naturlige miljøer. Avellan og forskerholdet frigav guld nanopartikler i mesokosmos vandet i meget lave mængder hver uge for at efterligne langsigtet, lav dosis input forventes fra nanomaterialebrug. De ville se, hvordan nanopartiklerne ville opføre sig i et kompleks, biologisk aktive økosystem. Efter seks måneder fandt de ud af, at 70 % af guldet ophobede sig hos vandplanterne, og at alle guld-nanopartiklerne var opløst og ændret til andre former for guld. Da de så nærmere på biofilmen, eller et klæbrigt stof, der består af bakterier og mikroorganismer, der findes på planter, de fandt ud af, at mikroorganismerne frigav cyanid, der interagerede med guldnanopartiklerne. Guldnanopartiklerne opløste (eller ioniserede) og dannede guld-cyanid sammen med andre guldkomplekser, der blev tilbage med planterne.

Nanopartikler er aggregater af atomer, der danner partikler mellem et og hundrede nanometer, eller en hundrededel til en tusindedel af tykkelsen af ​​et menneskehår. Deres størrelse giver nye egenskaber, der gavner mange anvendelser:de kunne behandle vand bedre, de kunne dræbe bakterier på et sår, de kunne skabe stærkere, men lettere materialer.

"Vi fandt ud af, at guld akkumulerede som en sindssyg i vandplanterne, hvilket ikke var hvad vi havde forventet, " sagde Astrid Avellan. "Så vi gravede i det og fandt ud af, at guld var forbundet med disse planter, men det var ikke nanopartikler længere."

Dette er et stort gennembrud, fordi guldnanopartikler blev anset for at være et stabilt materiale, og er ofte blevet brugt som sporstof til at forstå, hvordan nanomaterialer opfører sig - hvis du finder nanopartiklerne, så ved du, hvor nanopartiklerne ophobes. Resultaterne fra denne artikel antyder, at selv relativt inerte metalnanopartikler som guld faktisk kan opløses, når de interagerer med biofilm i vandmiljøer.

"Interaktionen mellem nanomaterialer og phytobiomet kan potentielt udnyttes til gavn for landbruget, " sagde Lowry. "Forskersamfundet er kun begyndt at forstå phtyobiomets rolle på planteproduktiviteten. Denne undersøgelse viser potentialet til at designe nanomaterialer, der arbejder sammen med phytobiomet for at forbedre planteproduktiviteten. Succesfulde interventioner i landbruget bliver nødt til at overveje, hvordan man arbejder synergistisk med naturen."

Selvom virkningerne af guldtransformationen skal studeres mere, det er muligt, at det kan være giftigt for nogle organismer. Ionerne kunne også bevæge sig hurtigere og længere væk end nanopartiklerne, fordeler sig forskelligt i organismer og i miljøet. Den gode nyhed er, at nu har forskere opdaget, hvordan og hvorfor de opløses, så vi kan være smarte omkring fremtidige anvendelser og anvendelser af nanopartikler – endda udnytte dette fænomen til vores fordel.

"Nu ved vi hvorfor og under hvilke forhold guldnanopartikler opløses, " sagde Avellan. "Så vi kan tage denne viden og bruge den til vores fordel til at designe bedre materialer."