Terwijl onderzoekers over de hele wereld zich haasten om nanotechnologie te gebruiken om productiemethoden te verbeteren voor toepassingen die variëren van productiematerialen tot het maken van nieuwe farmaceutische medicijnen, er bestaat een aparte maar even boeiende uitdaging.

De geschiedenis heeft aangetoond dat eerdere industriële revoluties, zoals die met asbest en chloorfluorkoolwaterstoffen, ernstige gevolgen voor het milieu hebben gehad. Kan nanotechnologie ook een risico vormen?

Linsey Marr en Peter Vikesland, faculteitsleden van de Via Department of Civil and Environmental Engineering aan Virginia Tech, maken deel uit van het nationale Center for the Environmental Implications of NanoTechnology (CEINT), gefinancierd door de National Science Foundation (NSF) in 2008. Samen met Michael Hochella, Universitair Distinguished Professor Geowetenschappen, zij vertegenwoordigen de inspanningen van Virginia Tech in een consortium van negen leden dat in vijf jaar $ 14 miljoen heeft toegekend, vanaf 2008. Het deel van Virginia Tech is $ 1,75 miljoen.

CEINT legt zich toe op het ophelderen van de relatie tussen een breed scala aan nanomaterialen - van natuurlijke, te vervaardigen, op die welke incidenteel door menselijke activiteiten zijn geproduceerd — en hun potentiële blootstelling aan het milieu, biologische effecten, en ecologische gevolgen. Het zal zich richten op het lot en het transport van natuurlijke en vervaardigde nanomaterialen in ecosystemen.

Het hoofdkantoor is gevestigd aan de Duke University, CEINT is een samenwerking tussen Duke, Carnegie Mellon Universiteit, Howard-universiteit, en Virginia Tech als de kernleden, evenals onderzoekers van de Universiteit van Kentucky en Stanford University. De academische samenwerkingen van CEINT in de VS omvatten ook lopende activiteiten die worden gecoördineerd met de faculteit van Clemson, Noord-Carolina staat, UCLA, en Purdue-universiteiten. Bij Virginia Tech, CEINT is onderdeel van het Universitair Instituut voor Kritische Technologie en Toegepaste Wetenschappen (ICTAS).

Wetenschappers en ingenieurs in het centrum hebben plannen geschetst om onderzoek te doen naar de mogelijke gevolgen voor de gezondheid van nanomaterialen voor het milieu. De plannen omvatten nieuwe benaderingen, zoals het creëren van een voorspellend toxicologisch model op basis van celassays en het bouwen van ecosystemen om nanodeeltjes te volgen.

Karakterisering van deeltjes in de lucht

Op een van de nieuwe manieren waarop Marr haar tests uitvoert, zij en haar collega's kweken menselijke longcellen en plaatsen ze in kamers die het longceloppervlak blootstellen aan lucht. Deze plaatsing zorgt voor direct contact van de cellen met vernevelde deeltjes op het lucht-vloeistof-interface (ALI). Een van Marrs postdoctorale onderzoekers, Amara Houder, en collega's uit Berkeley hebben de cellen eerder blootgesteld aan deeltjes in dieseluitlaatgassen en een methaanvlam. Ze vergeleken de ALI-blootstelling met conventionele in vitro-blootstelling, waar deeltjes worden gesuspendeerd in een vloeibaar celkweekmedium.

"Onze bevindingen toonden aan dat de inademingsroute van blootstelling aan ALI een relevante in vitro benadering is en beter reageert dan de conventionele blootstelling aan deeltjessuspensies, " concludeerden ze. Nu, Marr en haar collega's herhalen de blootstelling met gemanipuleerde nanodeeltjes. De onderzoekers zullen de afzetting van kleinere deeltjes verbeteren door een elektrisch veld te genereren en "te vertrouwen op de elektroforetische kracht om geladen deeltjes naar het celoppervlak te drijven".

"Met dit ontwerp longcellen kunnen worden blootgesteld aan aanzienlijke aantallen geaërosoliseerde, gemanipuleerde nanodeeltjes, zoals zilver en metaaloxiden, als afzonderlijke deeltjes in plaats van grote agglomeraten, " legde Marr uit. Een uitdaging bij tests van de toxiciteit van nanodeeltjes is dat zeer kleine deeltjes graag aggregaten vormen, dus het testen van interacties van de kleinste deeltjes met cellen vereist speciale benaderingen.

Marr en een van haar afgestudeerde studenten, Andrea Tiwari, hebben de C60 fullereen gekozen als model voor koolstofhoudende nanomaterialen vanwege zijn relatieve eenvoud, bewijs van toxiciteit, en rijke geschiedenis in de wetenschappelijke literatuur. De ontdekking van de C60-verbinding in 1985 verdiende Harold Kroto, James R. Heath, en Richard Smalley de 1996 Nobelprijs voor de Scheikunde. C60 fullerenen en variaties daarop worden gebruikt in de nanotechnologie-industrie.

"In de lucht zwevende koolstofhoudende nanomaterialen worden waarschijnlijk aangetroffen in productiefaciliteiten en in de lucht en kunnen toxische effecten vertonen bij inademing, "Zeiden Marr en Tiwari. Ze theoretiseerden verder dat wanneer ze aan de lucht worden blootgesteld, nanomaterialen zullen waarschijnlijk chemisch worden getransformeerd na blootstelling aan oxiderende stoffen in de atmosfeer.

In hun voorstudies resultaten geven aan dat "oxidatie de oplosbaarheid beïnvloedt, omdat de absorptie na resuspenderen in water lager is voor fullerenen die aan ozon worden blootgesteld.' De implicatie is dat reacties in de atmosfeer nanodeeltjes kunnen transformeren en ervoor kunnen zorgen dat ze meer kans hebben om op te lossen in water zodra ze weer op aarde zijn afgezet. ze kunnen verder reizen en met meer organismen in contact komen dan wanneer ze aan de grond vastzitten.

Om nanodeeltjes in de lucht te verzamelen voor analyse, De groep van Marr ontwierp een goedkope thermoforetische stofvanger die ijswater als koelbron en een weerstand van 10 W als verwarmingsbron gebruikt. Ze lieten synthetische aerosolen door de stofvanger stromen en gebruikten een transmissie-elektronenmicroscoop om de deeltjes te inspecteren.

"Voorlopige analyse bevestigde dat deze precipitator effectief was in het verzamelen van nanodeeltjes van een breed scala aan groottes en effectief zal zijn in toekomstige studies van nanodeeltjes in de lucht, ' zei Marr.

Naarmate haar werk op dit gebied vordert, Marr kon haar onderzoek gebruiken bij de karakterisering van deeltjesconcentraties in de lucht tijdens de productie van koolstofhoudende nanomaterialen, zoals fullerenen en koolstofnanobuisjes, in een commerciële nanotechnologiefaciliteit. Op basis van de metingen van haar onderzoek, gedaan met Behnoush Yeganeh, Christy Kull en Mathew Hull, alle afgestudeerde studenten, zij concludeerden dat technische controles in de faciliteit "effectief lijken te zijn bij het beperken van blootstelling aan nanomaterialen, " en rapporteerden hun bevindingen in de publicatie van de American Chemical Society Milieuwetenschap en -technologie (Vol. 42, nr. 12, 2008)

Echter, ze wijzen op de beperkingen van deze eerste studie die zich vooral richtte op de fysieke karakterisering, en die geen onderscheid maakten tussen deeltjes gegenereerd door roetproductie van nanomateriaal en die van andere bronnen.

Effecten van carbonzuren op de vorming van nC60-aggregaat

"De toenemende productie en toepassing van het C60 fullereen vanwege zijn onderscheidende eigenschappen zal onvermijdelijk leiden tot het vrijkomen ervan in het milieu, " Marrs collega, Vikingenland, zei. Nu al, de biomedische, opto-elektronica, sensoren en cosmetica-industrieën behoren tot de gebruikers van de C60 fullereen.

"Er is momenteel weinig bekend over de interactie van het C60 fullereen met de bestanddelen van natuurlijke wateren, en daarom is het moeilijk om het lot van C60 te voorspellen dat vrijkomt in de natuurlijke omgeving, " Vikesland toegevoegd. "De C60 fullereen is vrijwel onoplosbaar in water."

Echter, een van de componenten van natuurlijk water is natuurlijk organisch materiaal (NOM). Wanneer het C60 fullereen vrijkomt in water, het vormt "zeer stabiele gedispergeerde colloïdale C60-aggregaten of nC60, " Vikesland uitgelegd. Deze aggregaten kunnen aanzienlijke verschillen vertonen in de aggregaatstructuur, maat, morfologie, en oppervlaktelading en gedragen zich heel anders dan de C60 alleen.

Het probleem met NOM is de willekeur, wat resulteert in diverse kenmerken van de aggregaten die zich vormen wanneer ze zich vermengen met de C60.

Dus, Vikesland kijkt naar carbonzuren met een klein molecuulgewicht, zoals azijnzuur, wijnsteenzuur, en citroenzuur, alle op grote schaal gedetecteerde bestanddelen van natuurlijk water en biologische vloeistoffen. Hij en zijn afgestudeerde student Xiaojun Chang hebben specifiek gekeken naar de vorming van nC60 in azijnzuur (azijn) oplossingen, de aggregaten onderworpen aan langdurig mengen, en ontdekte dat de chemie van de oplossing aanzienlijk verschilt van nC60 gemengd in water alleen.

"Het citraat beïnvloedt de vorming van de nC60 op twee manieren, " zei Vikesland. Het verandert de pH, een sleutelfactor bij het beheersen van de oppervlaktelading van nC60 en het heeft een directe interactie met het C60-oppervlak.

Vikingsland legde de betekenis van dit resultaat uit. Wanneer nC60 wordt geproduceerd in aanwezigheid van de carbonzuren, zijn aggregaten verschillen aanzienlijk van die geproduceerd zonder de zuren. In het algemeen, Vikingland zei, deze aggregaten hebben meer negatieve oppervlakteladingen en zijn homogener dan die welke alleen in water worden geproduceerd.

"Deze resultaten suggereren dat het uiteindelijke lot van C60 in waterige omgevingen waarschijnlijk aanzienlijk wordt beïnvloed door de hoeveelheden en soorten carbonzuren die aanwezig zijn in natuurlijke systemen en door de pH van de oplossing, "Vikesland toegevoegd. Bovendien, omdat carbonzuren veel voorkomen in biologische vloeistoffen, Vikesland is geïnteresseerd in hoe zijn bevindingen zich verhouden tot de mechanismen waarmee C60 in vivo interageert met cellen.

Deze zuren kunnen een aanzienlijke invloed hebben op eventuele conclusies die uiteindelijk worden getrokken met betrekking tot de impact van het C60-fullereen op het milieu. Zijn huidige werk verschijnt in een uitgave van Milieuvervuiling v157, nummer 4 (april 2009), blz. 1072-1080.