Wetenschappers van de Northwestern University hebben een manier gevonden om uitgezaaide borstkanker te detecteren door DNA-strengen in sferische vormen te rangschikken en ze te gebruiken om een ​​klein deeltje goud te bedekken, het creëren van een "nano-flare" die alleen oplicht wanneer het borstkankercellen vindt. Bij het MIT, onderzoekers proberen de fotosynthesecapaciteit van planten te vergroten door kleine koolstofbuisjes, nanobuisjes genaamd, in chloroplasten in te bedden. Ze hopen uiteindelijk planten te ontwikkelen met de mogelijkheid om milieuvervuiling te monitoren, pesticiden, schimmelinfecties, of blootstelling aan bacteriële toxines. Dit zijn slechts twee voorbeelden van lopend onderzoek in nanotechnologie, een van de snelst groeiende wetenschapsgebieden, techniek en industrie die elke dag in steeds meer consumentenproducten wordt gebruikt.

Nanotechnologie omvat de productie en manipulatie van materialen op kleine schaal – gemeten in miljardsten van een meter, of nanometer. Soms gaat het om lagen materiaal van slechts een enkel atoom dik - ongeveer 0,2 nanometer. Ter vergelijking, een mensenhaar is 80, 000 nanometer; een DNA-molecuul is 2-2,5 nm.

Nanodeeltjes bestaan ​​in de natuur - in stof, bosbranden, vulkanen, metalen, enz. Maar nanotechnologie omvat over het algemeen technische materialen (die natuurlijke nanodeeltjes kunnen bevatten) met ten minste één dimensie van 100 nm of minder. Op nanoschaal is de klassieke wetten van de fysica zijn niet langer van toepassing, resulterend in materiaal dat verschillende optische, elektrische of magnetische eigenschappen dan het zou hebben in een omvangrijkere vorm. Dit komt mede doordat materiaal op nanoschaal een relatief groter oppervlak heeft ten opzichte van zijn volume dan hetzelfde materiaal in bulkvorm.

Het is omdat nanomaterialen deze veranderde eigenschappen hebben dat ze zo nuttig zijn. Ze kunnen een grotere capaciteit hebben om elektriciteit te geleiden of te weerstaan, uitstekende kleurzuiverheid, verbeterd vermogen om warmte op te slaan of over te dragen, extra opneembaarheid, of antibiotische eigenschappen. Op nanoschaal is koper, normaal ondoorzichtig, wordt transparant; stabiel aluminium wordt brandbaar; en goud, meestal solide, wordt een vloeistof. Nano-zilver, een antibacteriële, wordt gebruikt in verbanden, sokken en voedselverpakkingen. Zinkoxide nanodeeltjes worden gevonden in zonnebrandmiddelen en cosmetica. Nano-titaandioxide wordt gebruikt in medicijncapsules, voedingssupplementen, voedselsupplementen, huid crèmes, en tandpasta; en in voedingsmiddelen zoals kokosnoot en yoghurt als bleekmiddel.

Nanotechnologie omvat het creëren van nanostructuren zoals op koolstof gebaseerd grafeen (een vel koolstofatomen van 1 atoom dik) of koolstofnanobuizen (een buis van koolstofatomen), die uitstekende geleiders van elektriciteit zijn; evenals het gebruik van nanodeeltjes die worden gecombineerd met andere materialen om bepaalde eigenschappen te optimaliseren.

Wetenschappers die werkzaam zijn in nanotechnologie gebruiken meestal moleculen als bouwstenen. Als voorbeeld, ze kunnen iets gedeeltelijk van silicium maken, gecombineerd met een organisch molecuul en enkele nano-widgets om een ​​veelzijdige nanostructuur te produceren die anders is dan alles in de natuur, legde James Yardley uit, directeur van het Nanoscale Science and Engineering Center van Columbia University. De materiaalkeuze is vaak afhankelijk van het onderzoeksgebied. Elektronica onderzoekers, bijvoorbeeld, werk vaak met silicium of koolstof; biotechnologische onderzoekers werken met grotere organische moleculen; en materiaalonderzoekers kunnen ijzer gebruiken, staal of chroom.

Columbia's Nanoscale Science and Engineering Center, een van de eerste wetenschappelijke en technische centra op nanoschaal die zijn opgericht door het National Nanotechnology Initiative, richt zijn onderzoek op elektronica. Wetenschappers hier, pioniers in onderzoek naar grafeen (het sterkste materiaal dat de mens kent per gewichtseenheid), zijn aan het uitzoeken hoe het te gebruiken om silicium te vervangen, essentieel in halfgeleiders en veel elektronische producten. Ze gebruiken het om toepassingen voor zonnecellen te ontwikkelen, touchscreens en sensoren. Het centrum werkt ook met koolstofnanobuisjes, die de ontwikkeling van nieuwe elektronische apparaten mogelijk maken; en het bouwen van fotovoltaïsche apparaten op nanoschaal om ze veel efficiënter te maken.

Elke dag, wetenschappers komen met nieuwe toepassingen voor nanotechnologie. Een internationaal nano-onderzoekscentrum heeft een nanovezelgaas gemaakt dat gifstoffen uit het bloed kan verwijderen, die de noodzaak van dialyse voor patiënten met nierfalen zou kunnen elimineren. Zwitserse onderzoekers zijn er onlangs in geslaagd om uniforme antimoon nanokristallen te produceren, die een groot aantal lithium- en natriumionen kan opslaan, en zou ooit kunnen worden gebruikt om batterijen met een hoge energiedichtheid te produceren.

In de toekomst, nanotechnologie zal naar verwachting communicatie- en informatietechnologieën sneller en goedkoper maken, en maak superharde materialen. in de geneeskunde, nanomaterialen zullen worden gebruikt als kleine sensoren om ziekten te detecteren of als chips om lichaamsprocessen te volgen, voor implantaten, en als medicijnafgiftesystemen die zich op specifieke cellen kunnen richten. Nanomaterialen zullen verontreinigende stoffen uit het milieu kunnen filteren of uit het afvalwater kunnen verwijderen. Nanotechnologie zal de verkenning van de ruimte ten goede komen door lichtere voertuigen en kleinere robotsystemen mogelijk te maken. Nanodetectoren van chemische en biologische agentia zullen de nationale veiligheid verbeteren. Sommige wetenschappers voorspellen dat op een dag, ze zullen programmeerbare nanomaterie kunnen creëren waarvan de eigenschappen kunnen worden gecontroleerd of gewijzigd.

"Nanowetenschap is een voorbeeld van een echte grens in de basiswetenschap die echt het potentieel heeft om zoveel aspecten van het dagelijks bestaan ​​te revolutioneren, " zei Michael Purdy, executive vice-president voor onderzoek aan de Columbia University. "Over een paar decennia we zullen enkele grote revoluties zien, en het is echt de natuurkunde die voor deze nieuwe doorbraken heeft gezorgd." Hij is vooral enthousiast over het nieuwe materiaalonderzoek, wat de mogelijkheid biedt om supergeleidende materialen en steeds efficiëntere zonnepanelen te ontwikkelen.

Vandaag, er zijn er al meer dan 1, 600 producten op de markt waarin nanomaterialen zijn verwerkt:krultangen, koelkasten, autowas, projectieschermen, inkten, iPhones, laptopcomputers, handdoeken, huis verf, kleding, zonnebril, tandenborstels, fopspenen, wasmiddel, knuffels, tennis rackets, keelspray, voedselcontainers ... en nog veel meer.

In de VS, fabrikanten zijn ervoor verantwoordelijk dat hun producten voldoen aan alle wettelijke en veiligheidseisen, inclusief producten met nanotechnologie. Er zijn geen specifieke regelgeving voor nanotechnologie, noch enige etiketteringsvereisten voor producten die nanomaterialen bevatten.

Maar weten we genoeg over deze nieuwe technologie om te begrijpen wat de mogelijke onbedoelde effecten op de menselijke gezondheid en het milieu kunnen zijn? Naarmate nanomaterialen meer wijdverspreid worden, het publiek en degenen die met hen werken, zullen er in toenemende mate mee te maken krijgen. Sinds 2001, de federale overheid heeft bijna $ 20 miljard geïnvesteerd in nanotechnologie-onderzoek via het National Nanotechnology Initiative, maar slechts $ 750 miljoen voor het bestuderen van de milieu- en gezondheidseffecten en de veiligheid van nanotechnologie.

Hoewel nanostructuren meestal zijn ingebed in grotere entiteiten en vrij stabiel blijven, nanodeeltjes, vanwege hun grootte, kan worden ingeademd, ingeslikt en geabsorbeerd door de huid en ogen.

Ze kunnen cellen binnendringen, zenuwen, eierstokken, lymfeklieren en spieren en passeren de bloed-hersenbarrière. Ze kunnen zich ophopen in de longen, lever of hersenen. Sommige nanodeeltjes kunnen het immuunsysteem en het vermogen van cellen om met ziekteverwekkers om te gaan, beïnvloeden.

Onderzoekers hebben ontdekt dat wanneer ratten mangaanoxide-nanomaterialen inhaleerden die dagelijks door fabriekslassers werden ingeademd, de nanodeeltjes vestigden zich in hun hersenen en longen, tekenen van ontsteking en cellulaire stress veroorzaken. Wanneer getest op haarloze muizen, titaniumdioxide nanodeeltjes, vaak gebruikt om zonnestralen te blokkeren zonder de witte pasteuze, veroorzaakte huidveroudering. Na twee jaar nano-titaandioxide in het drinkwater van muizen te hebben gemengd, wetenschappers ontdekten dat de muizen aanzienlijke DNA- en chromosomale schade hadden. Koolstofnanobuisjes die in de maag van muizen werden ingebracht, gedroegen zich als asbest, ontstekingen en laesies veroorzaken.

Het is onvermijdelijk dat kunstmatige nanodeeltjes geleidelijk in het milieu terechtkomen door lekkage bij de productie en het transport van producten, gebruik, en afvalstoffen. Ze gaan de lucht in, grond en water. Nano-zilver, dat is antibioticum, zijn weg zou kunnen vinden van stortplaatsen, afvalwaterzuiveringsinstallaties en industriële installaties in ecosystemen waar het giftig kan zijn voor water- en landdieren.

Het Centrum voor de milieu-implicaties van nanotechnologie, een ander centrum opgericht door het National Nanotechnology Initiative, bestudeert het gedrag van nanomaterialen en hun potentieel biologische, milieu- en ecologische effecten.

Meer dan vijf jaar, het centrum stelde planten en microben bloot aan nanozilver en ontdekte dat zelfs bij een lage dosis, de planten en microben produceerden ongeveer een derde minder biomassa, wat wijst op stress.

Door hun relatief grote oppervlakte, gemanipuleerde nanodeeltjes zijn zeer reactief. Volgens het National Nanotechnology Initiative, nanomaterialen die in het milieu vrijkomen, kunnen worden getransformeerd door omgevingsfactoren zoals temperatuur en zoutgehalte, de aard van een leefgebied, en de aanwezigheid van andere verontreinigingen. De getransformeerde nanomaterialen kunnen op hun beurt atmosferische, bodem, of waterchemie. En deze transformaties kunnen de vorm veranderen van de nanomaterialen waaraan mensen en ecosystemen worden blootgesteld.

Benajamin Bostick, een milieuchemicus en universitair hoofddocent aan het Lamont Doherty Earth Observatory, bestudeert hoe bepaalde nanodeeltjes in de omgeving transformeren om te begrijpen of ze goed of slecht zijn, hoe ze zich in het milieu verplaatsen en hun toxiciteit.

"Nanodeeltjes zijn niet per se veilig of gevaarlijk, " hij zei, "Je moet weten wat hun kiezers zijn." Hun toxiciteit wordt beïnvloed door hun grootte, chemische samenstelling, vorm, oppervlaktestructuur, oppervlaktelading, oplosbaarheid, hoe ze aggregeren en de aanwezigheid van andere chemicaliën.

Bij het beoordelen van de veiligheid en effecten van nanodeeltjes moet met een groot aantal factoren rekening worden gehouden, en ze moeten in de loop van de tijd in complexe realistische omgevingen worden bestudeerd om hun effecten nauwkeurig te voorspellen. Voor de komende vijf jaar, het Centre for the Environmental Implications of Nanotechnology zal onderzoeken hoe nanomaterialen worden overgedragen tussen organismen, hoe ze bioaccumuleren in voedselwebben, de interactie tussen nanodeeltjes en milieuverontreinigende stoffen, en de impact van een lage dosis en langdurige blootstelling aan nanodeeltjes op ecosystemen.

"Een deel van het doel van het onderzoek in het centrum is om de gemeenschap te helpen bepalen welke regels een hoge mate van veiligheid garanderen... de wetenschappers werken nauw samen met de EPA, en OSHA, en de hele reeks agentschappen, ' zei Yardley.

Nanomaterialen vallen momenteel onder verschillende wetten van de U.S. Environmental Protection Agency (EPA), de Food and Drug Administration (FDA), en de Occupational Safety and Health Administration (OSHA), maar de agentschappen beginnen specifiek te kijken naar de risico's van nanotechnologie.

Bostick waarschuwde ervoor om alle nanodeeltjes niet met een brede kwast te schilderen.

"We moeten nadenken over de nanodeeltjes die gevaarlijk zijn en uitzoeken hoe we ze veilig kunnen gebruiken of alternatieven vinden. Maar we moeten niet alle nanodeeltjes in één categorie groeperen, zodat de veilige niet kunnen worden gebruikt. We moeten onderscheid maken tussen hen, " hij zei.

De EPA beoordeelt momenteel de gezondheids- en veiligheidseffecten van bepaalde nanomaterialen:koolstofnanobuizen, ceriumoxide, titaandioxide, nano-zilver, ijzer en gemicroniseerd koper. in april 2012, de FDA heeft twee ontwerp-richtsnoeren uitgegeven over het gebruik van nanotechnologie in voedingsmiddelen en cosmetica. Bedrijven die nanodeeltjes in levensmiddelenadditieven of verpakkingen gebruiken, kregen het advies om de FDA te raadplegen en aan te tonen dat hun producten veilig zijn voordat ze worden verkocht. Cosmeticabedrijven die nanotechnologie gebruiken, werden aangespoord om aanvullende veiligheidstests uit te voeren. Er is nog geen definitieve richtlijn uitgebracht.

Berkeley, Californië, is de eerste en enige stad in de Verenigde Staten die nanotechnologie regelt. Het vereist dat fabrikanten en verwerkers van nanodeeltjes toxicologische, milieu- en veiligheidsinformatie aan de Toxics Management Division van de stad.

Hoewel Yardley vertrouwen heeft in ons bestaande regelgevingssysteem en hoe het werkt, hij erkende, "Er moeten veranderingen komen in onze wettelijke definities van materialen en categorieën... deze dingen hebben niet alleen een chemische samenstelling, maar ze hebben wel een maat en vorm, en oppervlaktefunctionalisering, en al die dingen bepalen de toxiciteit in materialen op nanoschaal. … Zeker, de aard van onze regelgeving zal moeten veranderen, en ze zullen deze functies moeten overwegen. En we zullen ons zorgen moeten maken over de effecten van wieg tot graf."

In de tussentijd, consumenten die producten willen vermijden die nanomaterialen of nanodeeltjes bevatten, moeten textiel vermijden, voedingssupplementen en cosmetica met het label "nano, " "ultrafijn, " "gemicroniseerd" of "antimicrobieel." Blijf uit de buurt van biovaste meststoffen, soms "organische" meststoffen genoemd, omdat ze vaak nanozilver bevatten. USDA biologisch gecertificeerde producten bevatten geen nanomaterialen, maar "biologische" of "volledig natuurlijke" cosmetica kan.