Kortdurende blootstelling aan kunstmatige nanodeeltjes die worden gebruikt bij de productie van halfgeleiders vormt weinig risico voor mens of milieu, volgens een veelgelezen onderzoekspaper van een door de Universiteit van Arizona geleid onderzoeksteam.

Co-auteur van 27 onderzoekers van acht Amerikaanse universiteiten, het artikel, "Fysiek, chemische en in vitro toxicologische karakterisering van nanodeeltjes in chemisch-mechanische planarisatiesuspensies die worden gebruikt in de halfgeleiderindustrie:op weg naar milieu-gezondheids- en veiligheidsbeoordelingen, " werd gepubliceerd in het tijdschrift Royal Society of Chemistry Milieuwetenschap Nano in mei 2015. De krant, dat vraagt ​​om een ​​verdere analyse van de potentiële toxiciteit bij langere blootstellingsperioden, was een van de 10 meest gedownloade artikelen van het tijdschrift in 2015.

UA-onderzoeker en mede-auteur Reyes Sierra gebruikte een elektronenmicroscoop om dit beeld van silica-nanodeeltjes te verkrijgen.

"Deze studie is uiterst relevant voor zowel de industrie als het publiek, " zei Reyes Sierra, hoofdonderzoeker van de studie en hoogleraar chemische en milieutechniek aan de Universiteit van Arizona.

Het onderzoek werd grotendeels ondersteund door de Semiconductor Research Corporation SRC Engineering Research Center on Environmentally Benign Semiconductor Manufacturing, een UA-gebaseerd consortium dat zijn 20e jaar viert. Co-auteurs van het artikel zijn onder meer de directeur van het centrum, Professor Farhang Shadman van de UA Regenten, en huidige en voormalige UA-afgestudeerde studenten in milieutechniek.

Klein wonder

Nanodeeltjes zijn kleiner dan 100 nanometer. Op een miljoenste van de grootte van de kop van een speld, een duizendste van de breedte van een mensenhaar, ze zijn enkele van de kleinste materialen die bekend zijn. Ze kunnen van nature bestaan ​​- in roet, bijvoorbeeld, maar zijn pas in de afgelopen 30 jaar ontwikkeld.

Engineered nanodeeltjes worden gebruikt om halfgeleiders te maken, zonnepanelen, satellieten, de verpakking van levensmiddelen, voedselsupplementen, batterijen, honkbalknuppels, cosmetica, zonnebrandcrème en talloze andere producten. Ze zijn ook veelbelovend voor biomedische toepassingen, zoals systemen voor het afleveren van kankermedicijnen.

Het ontwerpen en bestuderen van materialen op nanoschaal is geen sinecure. De meeste universitaire onderzoekers produceren ze in het laboratorium om die in de industrie te benaderen. Maar voor deze studie Cabot Microelectronics leverde slurries van gemanipuleerde nanodeeltjes aan de onderzoekers.

" minus een paar eigen ingrediënten, onze slurries waren precies dezelfde als die gebruikt door bedrijven als Intel en IBM, "Zei Sierra. Beide bedrijven werkten mee aan het onderzoek.

De ingenieurs analyseerden de fysieke, chemische en biologische eigenschappen van vier metaaloxide-nanomaterialen:ceria, aluminiumoxide, en twee vormen van silica, die vaak worden gebruikt in chemisch-mechanische vlakmakingsslurries voor het maken van halfgeleiders.

Schone productie

Chemisch-mechanische planarisatie is het proces dat wordt gebruikt om siliciumwafels te etsen en te polijsten zodat ze glad en vlak zijn, zodat de honderden siliciumchips die aan hun oppervlak zijn bevestigd goed functionerende circuits zullen produceren. Zelfs de meest oneindig kleine kras op een wafer kan grote schade aanrichten aan het circuit.

Als hun werk erop zit, gemanipuleerde nanodeeltjes komen terecht in afvalwaterzuiveringsinstallaties. Engineered nanodeeltjes zijn niet gereguleerd, en hun prevalentie in het milieu wordt slecht begrepen.

Onderzoekers aan de UA en over de hele wereld bestuderen de mogelijke effecten van deze kleine en complexe materialen op de menselijke gezondheid en het milieu.

"Een van de weinige dingen die we zeker weten over kunstmatige nanodeeltjes, is dat ze zich heel anders gedragen dan andere materialen, "Zei Sierra. "Bijvoorbeeld, ze hebben een veel groter oppervlak in verhouding tot hun volume, waardoor ze reactiever kunnen worden. We weten niet of deze grotere reactiviteit zich vertaalt in verhoogde toxiciteit."

De onderzoekers legden de vier nanodeeltjes bloot, gesuspendeerd in afzonderlijke slurries, tot adenocarcinoom menselijke alveolaire basale epitheelcellen in doses tot 2, 000 milligram per liter gedurende 24 tot 38 uur, en aan mariene bacteriecellen, Aliivibrio fischeri, tot 1, 300 milligram per liter gedurende ongeveer 30 minuten.

Deze concentraties zijn veel hoger dan in het milieu zou worden verwacht, zei Siera.

Met behulp van verschillende technieken, inclusief toxiciteit bioassays, elektronenmicroscopie, massaspectrometrie en laserverstrooiing, om factoren als deeltjesgrootte te meten, oppervlakte en deeltjessamenstelling, de onderzoekers stelden vast dat alle vier de nanodeeltjes een laag risico vormden voor de menselijke en bacteriële cellen.

"Deze nanodeeltjes vertoonden geen nadelige effecten op de menselijke cellen of de bacteriën, zelfs bij zeer hoge concentraties, " zei Sierra. "De cellen vertoonden hetzelfde gedrag als cellen die niet werden blootgesteld aan nanodeeltjes."

De auteurs adviseerden verder onderzoek om mogelijke nadelige effecten bij langere blootstelling en hogere concentraties te karakteriseren.

"Denk aan een vis in een beek waar afvalwater met nanodeeltjes wordt geloosd, "Zei Sierra. "Blootstelling aan de nanodeeltjes kan veel langer duren."