Kulstofnanorør har udviklet sig mod energi- og sundhedsanvendelser, men der er stadig misforståelser

Den stigende brug af kulstofnanorør (CNT'er) - og et forslag i EU om at forbyde hele klassen af ​​materialer - fremhæver behovet for en opdateret og standardiseret tilgang til at vurdere menneskelige og miljømæssige påvirkninger af CNT'er og produkter, der indeholder dem, ifølge en ny kollaborativ undersøgelse medforfattet af Rice University-forskere.

Mere end 5.000 tons CNT'er produceres årligt til brug i forskningslaboratorier og kommercielle industrier. På grund af deres unikke egenskaber bruges CNT'er i forskellige applikationer såsom batterier, lette byggematerialer, funktionelle tekstiler, bærbare enheder og i stigende grad i biomedicinsk forskning.

"Når vi bevæger os mod en ren og diversificeret energi- og materialerevolution, har feltet for avancerede materialer brug for en klart defineret videnskabsbaseret vej i måling, identifikation, klassificering og rapportering gennem hele materialets livscyklus, fra udvikling til bortskaffelse, for at fuldskalere CNT'er på tværs af sektorer og industrier, samtidig med at det gavner samfundet og miljøet," sagde Rachel Meidl, fellow i energi og bæredygtighed ved Rices Baker Institute for Public Policy og medforfatter af undersøgelsen offentliggjort i tidsskriftet Nature Reviews Materials .

I 2019 føjede en ikke-statslig organisation i Den Europæiske Union (EU) kulstofnanorør til en liste over kemikalier, som de mener "bør begrænses eller forbydes i EU", med henvisning til bekymringer fra nogle af de mange publicerede værker, der studerede toksikologien og miljømæssig persistens af kulstofnanorør.

Forfatterne til den nye undersøgelse undersøgte, hvordan kulstofnanorør er blevet klassificeret kemisk, givet deres mange forskellige former og måder at behandle, modificere eller bruge dem på. Resultaterne af toksikologiske og miljømæssige undersøgelser varierede meget, afhængigt af disse forskellige kulstofnanorørformer og hvordan undersøgelserne blev udført.

"Vi indså, at der var så mange forskellige former for kulstof nanorør, at det virkede mærkeligt, at så forskellige materialer overhovedet kunne klassificeres under ét navn," sagde Daniel Heller, medforfatter af undersøgelsen, leder af Cancer Nanomedicine Laboratory ved Memorial Sloan Kettering Cancer Center og en Rice-alumne.

"Vi fandt også ud af, at de toksikologiske og miljømæssige risici ved kulstofnanorør i høj grad afhænger af disse forskelle, ligesom hvordan forskellige former for siliciumdioxid enten kan forårsage lungesygdommen silikose eller hjælpe med at holde dine tænder rene som en ingrediens i tandpasta."

Forfatterne foreslår, at mængden og udbredelsen af ​​disse materialer og det nuancerede og inkonsistente billede af risiko kræver, at de klassificeres og defineres mere præcist for at identificere toksikologiske og miljømæssige risici. Efterforskere bør vedtage mere konsistente klassificeringsmetoder, målestandarder og overvejelse af potentielle toksikologiske og miljømæssige påvirkninger på tværs af hele livscyklussen af ​​de materialer, der indeholder kulstofnanorør, inklusive når de bruges til at erstatte mere giftige eller forurenende materialer, sagde de.

Forfatterne anbefaler opbygningen af ​​en omfattende ramme til at klassificere, karakterisere og vurdere potentielle sundheds-, miljø- og sikkerhedspåvirkninger af CNT'er, fordi det ville have en positiv indvirkning på både forskning og industri. Og disse opgaver vil give politiske beslutningstagere de datadrevne værktøjer til selektivt at regulere de undergrupper af CNT'er, der anses for at være højrisiko, samtidig med at de sikrer, at eventuelle restriktioner for syntese, produktion, fremstilling, brug, transport og bortskaffelse er videnskabsbaserede og minimalt forstyrrende for det nye felt af kulstof nanomaterialer.

Derudover vil overgangen til en cirkulær kulstoføkonomi betyde, at forskere vil arbejde på at designe affald eller bruge kulstof-til-værdi-veje, der betragter slutbrugte CNT- og CNT-baserede produkter som en ressource.

"Carbon nanorør kan have langt færre energi- og materialebehov samt færre miljømæssige og sociale konsekvenser end andre materialer, hvilket gør dem ideelle til energiomstillingen," sagde medforfatter Matteo Pasquali, A.J. Hartsook professor i kemisk og biomolekylær teknik og direktør for Rice's Carbon Hub. "For eksempel er de det eneste troværdige alternativ til kobber og aluminium til storskala elektrificering og til stål til storskala konstruktion.

"De toksikologiske undersøgelser udført i de tidlige dage gav kontrasterende resultater og er ikke længere anvendelige til den nye generation af materialer, som bliver lavet med meget bedre kontrol med struktur, renhed og makroskopisk form," fortsatte han. "Standardisering af CNT-klassifikationer er nødvendig for at sortere hveden fra avnerne, så politiske beslutningstagere vil være i stand til at minimere risici for arbejdere og forbrugere og samtidig skabe lovgivningsmæssig sikkerhed for industrien, forskere og den brede offentlighed."

Forfatterne hævder, at en tilgang til dette problem fra et systemperspektiv giver muligheder for at udvide anvendelsen af ​​kulstofmaterialer i industrielle, kommercielle og medicinske sektorer; at støtte en dynamisk og kvalificeret arbejdsstyrke; at sikre ansvarlig udvikling, brug og end-of-life management fra laboratorium til marked; og at hjælpe verden med at nå globale klimamål og bæredygtighedsmål.

Flere oplysninger: Mijin Kim et al, Menneskelig og miljømæssig sikkerhed for kulstofnanorør på tværs af deres livscyklus, Nature Reviews Materials (2023). DOI:10.1038/s41578-023-00611-8

Leveret af Rice University