Soms brengen baanbrekende materialen met belangrijke voordelen voor de samenleving milieurisico's met zich mee die pas decennia later duidelijk worden. Op het groeiende gebied van nanotechnologie - het creëren van materialen of processen op nanoschaal - proberen onderzoekers potentiële gevaren te identificeren voordat nieuwe producten op grote schaal worden gebruikt.

"Te vaak weten we in het verleden niet of iets een risico zal worden totdat het te laat is en het er al is. " zegt Geoffrey Bothun, een universitair hoofddocent chemische technologie aan de Universiteit van Rhode Island. "In plaats van producten te maken met nanomaterialen erin en ze gewoon op de markt te brengen, het veld wil beter grip krijgen op wat voor milieu- of veiligheidsrisico's aan deze materialen zijn verbonden."

Nanotechnologie biedt het potentieel voor veel nieuwe toepassingen in de geneeskunde, elektronica, energie en biomaterialen, maar zoals elke nieuwe technologie, het roept ook bezorgdheid op over mogelijke toxiciteit voor mens en milieu door langdurige blootstelling.

"Er is veel opwinding over wat nanotechnologie kan doen voor het scheppen van banen, ontwikkeling van nieuwe producten en betere materialen, ', zegt Bothun. 'Er wordt gedacht dat het de nieuwe industriële revolutie is. Maar wetenschappers, ingenieurs en beleidsmakers willen voorop lopen en het ontwerp van de beste materialen met de minste impact op het milieu begeleiden."

De door de National Science Foundation (NSF) gefinancierde wetenschapper bestudeert specifiek hoe gemanipuleerde nanodeeltjes zich binden aan celmembranen, en de impact van het proces op het membraan zelf.

"We weten niet genoeg over hoe deze fysieke interacties plaatsvinden, en in welke mate ze bijdragen aan toxiciteit, " zegt hij. "Nanodeeltjes kunnen en zullen cellen remmen of doden. In sommige gevallen, dat is wat ze moeten doen. Bijvoorbeeld, er zijn veel natuurlijke antimicrobiële moleculen die aan een membraan binden, verstoor het en breek gaten, leidt tot celdood."

Nanodeeltjes komen voor in veel producten die in nauw contact komen met mensen, onder hen, kleding, medicijn, cosmetica en zonnebrandcrème.

"Zilveren nanodeeltjes, bijvoorbeeld, zijn in jachtkleding en atletische kleding en werken bijna als een antibioticum, " zegt Bothun. "Ze doden bacteriën die stank veroorzaken grotendeels door zilverionen vrij te geven. We worden de hele tijd blootgesteld aan dit zilver, maar of het gevaarlijk is, is enigszins onbekend."

Zijn onderzoeksdoel is om genoeg te weten te komen over wat er gebeurt in interacties tussen nanodeeltjes en membranen, zodat experts deze informatie kunnen gebruiken om te voorspellen of de deeltjes giftig zullen blijken te zijn. "Als we de mechanismen begrijpen achter hoe deze deeltjes aan cellen blijven plakken, dat zou ons moeten helpen deeltjes te ontwerpen die selectief kunnen binden aan, bijvoorbeeld, bacteriën en niet menselijke cellen, " hij zegt.

Bothun voert zijn onderzoek uit in het kader van een NSF Faculty Early Career Development (CAREER) prijs, die hij in 2011 ontving. De prijs ondersteunt junior faculteiten die de rol van leraar-wetenschappers illustreren door middel van uitstekend onderzoek, uitstekend onderwijs, en de integratie van onderwijs en onderzoek in het kader van de missie van hun organisatie.

Hij en zijn team gebruiken transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) om synthetische bacteriële celmembranen te bestuderen die ze maken en vervolgens bloot te stellen aan verschillende soorten nanodeeltjes. "We kunnen de membraansamenstelling veranderen, en nanodeeltjes type en samenstelling en grootte, "zegt hij. "We hebben veel variabelen waarmee we aan beide kanten kunnen spelen. Met TEM kunnen we nanodeeltjesmembraanbinding en veranderingen die optreden in het membraan als gevolg van deze binding direct in beeld brengen."

Ze hebben al vastgesteld dat nanodeeltjes zich kunnen gedragen als eiwitten, "wat betekent dat we een deel van onze bestaande kennis en technologieën over eiwitinteracties kunnen gebruiken om nanodeeltjesinteracties te helpen begrijpen en voorspellen, "zegt hij. "Bijvoorbeeld, er zijn gevallen waarin hydrofobe (waterhatende) nanodeeltjes de celmembraanstructuur kunnen veranderen, vergelijkbaar met hydrofobe eiwitten."

Als onderdeel van de educatieve component van de beurs, de wetenschappers hebben een eerstejaars algemene opleidingscursus aan de universiteit verbeterd met als doel studenten voor te lichten over de sociale, economische en milieueffecten van nanotechnologie, evenals de noodzaak om opkomende technologieën effectief te communiceren aan een breed publiek. Ze zijn ook van plan om professionele ontwikkelingsactiviteiten te sponsoren, inclusief onderzoek en gespecialiseerde workshops, om het leerplan aan te vullen.

Eindelijk, ze ontwikkelen een nieuw middelbare schoolprogramma, "Denk klein / droom groot!" voor wetenschappelijke lessen in stedelijke scholen in het grotere Providence-gebied. De studenten gaan aan de slag met de transmissie-elektronenmicroscoop, het analyseren van nanomaterialen met behulp van state-of-the-art instrumentatie.

"Het doel hier is om middelbare scholieren te informeren en te enthousiasmeren over nanotechnologie, en alle STEM (wetenschap, technologie, techniek en wiskunde) velden, en om hen te laten zien hoe nanotechnologie in de toekomst een impact zal hebben op hun leven en de rol die ze kunnen spelen, ', zegt Bothu.