NANOTEHNOLOGIJA. Dr. Maja Remškar; Nanodelci in nanovarnost, 2009 NANODELCI

Transcript

1 NANOTEHNOLOGIJA Dr. Maja Remškar; Nanodelci in nanovarnost, 2009 NANODELCI

2 Kaj so nanodelci?* Nanodelci so drobni skupki materiala,ki so (v vsaj eni dimenziji) manjši od 100 nanometrov = 0.1mikrometra. V obliki tanke plasti, ali pa tanki igličasti kristali ali nitke. Nanodelci so premajhni, da bi jih videli s prostim očesom!

3 Da delec dobi predpono nano- mora biti vsaj v eni dimenziji manjši od 100nm. Nanodelci so lahko zelo tanka vlakna, ki so dolga tudi več metrov, lahko so to igličasti kristali ali nitke, pa tudi majhne kroglice in zrnca. Pri samih nanodelcih in v materialih, ki le-te vsebujejo, so opazili lastnosti, ki se močno razlikujejo od lastnosti, ki jih imajo večji delci enake kemijske sestave. Fizikalno-kemijske lastnosti, ki so v nanodelcih drugačne, so spremenjena kemična reaktivnost, električna prevodnost, termična razteznost, optična prevodnost, trdnost... Posamezni nanodelci nimajo vseh teh lastnosti, je pa pogosto, da ima delec na nanoskali zgoraj navedene značilnosti drugačne kot delec, ki je za velikostni red ali dva večji. Razmerje med površino in prostornino delca je zelo pomemben podatek, saj kaže kako (kemično) reaktiven je delec. Večje kot je razmerje, bolj je delec reaktiven. Kemijske sile med delci so posledica reaktivnosti površinskih atomov. Če je atomov na površini več oz. imajo atomi več prostih vezi, se delci lahko hitreje in močneje vežejo.

4 Dejstvo je, da varnih nanodelcev ni. Je pa zelo težko reči, kakšen vpliv imajo na okolje. Njihova glavna lastnost je, da so majhni in lahki, da lahko dolgo časa lebdijo v zraku. Zaradi velikega števila atomov na površini, ki nimajo vseh sosednjih atomov in zato tudi ne zapolnjenih kemijskih vezi, imajo nanodelci povečano kemijsko aktivnost. Pomembna je seveda tudi kemijska sestava. Poleg namensko narejenih nanodelcev moramo biti pozorni tudi na nenamensko proizvedene nanodelce, še posebej v gradbeništvu, ki nastajajo kot stranski produkt proizvodnje oz. rušenja objektov, betoniranja, brušenja, rezanja, mletja, lomljenja, menjave kritin (posebno azbestnih) in tudi brušenja sten za končno obdelavo. Pri vseh teh postopkih nastajajo nanodelci, ki gredo v prostor. V človeško telo pridejo nanodelci skozi kožo, prebavila in predvsem dihala. V notranjih prostorih je precej velika koncentracija nanodelcev že zaradi t.i. ozadja. Ti delci, ki so vedno prisotni v zraku, so predvsem posledica gorenja in izpuhov avtomobilskih motorjev, predvsem dizelskih. Naravno proizvedeni nanodelci nastanejo kot posledica vulkanskih izbruhov, erozij ali puščavskega prahu. Tudi virusi so naravno proizvedeni nanodelci, vendar je njihov delež v prostoru precej manjši od delcev zaradi gorenja. V nekem stanovanju v mestu je od 10 tisoč do 40 tisoč nanodelcev v cm3 zraka. Na podeželju je to število nekoliko manjše. Nanodelci pridejo v prostor tudi iz odprtih kaminov, zelo priljubljene so tudi sveče (v lokalih in doma), ki sproščajo zelo velike količine nanodelcev, premera nm. Dokazano je, da nanodelci ogljika skrajšujejo življenjsko dobo in povzročajo bolezni srca in ožilja. Kajenje je, kot vemo, toksično, kancerogeno, v cm3 izdihanega zraka kadilcev je 100 milijonov nanodelcev. V vdihanem zraku kadilcev so nanodelci mešani z večjimi delci, ki se tudi nalagajo v pljučih in so kemijsko manj aktivni, vendar so veliko bolj obremenilni zaradi nalaganja v pljučih. Toksično je tudi pasivno kajenje, kjer je delež nanodelcev v vdihanem zraku povečan. Še posebej so občutljivi otroci. V prostoru, kjer je nekdo kadil, ostajajo nanodelci v ozračju tudi po več tednov. Največji onesnaževalci, predvsem v prometu so dizelski avtomobili, poleg avtomobilov za zasebno rabo tudi vsa tovorna vozila na dizelski pogon. Potrebno pa je poudariti to, da se nanodelcev ne smemo bati in se»skrivati«pred njimi. Potrebno je, da z njimi živimo v sožitju, saj se jim popolnoma izogniti ne moremo. Nimajo pa samo negativnih učinkov, obstajajo tudi raziskave o učinku nanodelcev na npr. kožnega raka. Žal pa to področje ni dobro raziskano zato ne vemo, kaj je pravzaprav res

5 Vsi zelo majhni delci niso nevarni človeku, razen če pridejo v organizem v prevelikem številu. Človeško telo je razvilo obrambne mehanizme pred raznimi boleznimi, virusi in majhnimi delci. Toksični so tisti delci, ki ob prihodu v telo kemijsko reagirajo s posameznimi celicami, jih spremenijo ali uničijo, ali pa spremenijo ali ovirajo njihovo delovanje. Majhni delci lahko poškodujejo epitelijsko tkivo, povzročijo vnetja, alergije in odziv celic na oksidativni stres. V človeško telo lahko delci pridejo skozi kožo, prebavila in predvsem dihala. Delci lahko tudi preidejo skozi celične membrane. Pri težje topnih delcih, kot so recimo kovinski oksidi, je odstranjevanje delcev iz organizma precej zapleteno, saj se začnejo zbirati v ledvicah. Delci lahko tudi pridejo v krvni obtok ter možgane. Kot eden izmed najbolj prepoznavnih primerov ogrožanja zdravja se pogosto omenja azbest. Njegova toksičnost poleg reaktivnosti je v tem, da se material pogosto pojavlja v obliki vlaken, ki so lahko široka zgolj 10 nm, ob tem pa dolga tudi po več μm. Taka vlakna lahko kljub svoji velikosti pridejo globoko v pljuča.

6 Nanohrana je beseda, s katero označujemo hrano, ki je bila pridelana, predelana ali pakirana s pomočjo nanotehnologije ali v katero so primešani nanomateriali.to ni več stvar znanstvene fantastike, ampak je že na prodajnih policah, ne da bi bilo na izdelkih sploh označeno, da vsebujejo nanomateriale. Nekaj primerov uporabe nanotehnologije v prehrani: nanosrebro uporabljajo zaradi njegove antibakterijske aktivnosti, na primer v embalaži za hrano, v hladilnikih, lončkih za otroško hrano in čaj, kuhinjski posodi,.. ; nanodelci silicijevega oksida so dodani polimernim kompozitom, da povečajo njihovo gostoto in preprečijo prepustnost plastike za kisik ter tako podaljšajo obstojnost hrane; nanokroglice škroba z velikostjo od 50 do 150 nanomestrov so dodelane lepilu za embalažo, saj s svojo kar 400-krat večjo površino od običajnega škroba za pripravo zahtevajo manj vode in ustrezno krajši čas za sušenje; nanodelci železa so zaradi povečane reaktivnosti in biološke koristnosti dodelani visokoenergijskim pijačam; Aluminijevi silikati se uporabljajo za preprečitev zlepljanja v procesu pridelave hrane v prašni obliki. Nanotehnologi so razvili užitne nanoprevleke z debelino 5nm, ki so povsem prosojne za človeško oko. Te prevleke se lahko nanašajo na meso, sire, sadje in zelenjavo, da se prepreči izguba vlage in zmanjša vpliv ozračja. So tudi nosilke barv, okusa, vsebujejo antioksidante, encime in podaljšajo življenjsko dobo izdelka, tudi po tem, ko je bila vidna embalaža odprta. V prehrani se znajde veliko delcev tudi kot posledica obrabe orodij pri pridelavi hrane in zaradi onesnaženega okolja med pridelavo. Povsem vsakdanje brušenje noža, proizvede veliko količino nanodelcev v ozračju. Nekatere nanodelce lahko tudi jemo, a ti dokaj hitro pridejo v stik s slino in želodčno sluznico ter jih telo praviloma lažje izloči kot tiste, ki se z vdihavanjem nabirajo v pljučih in niso biološko razgradljivi

7 debelina človeškega lasu potem, ko bi ga podolgem razcepili na nitk.

8 Glavna orodja nanotehnologije in nekatere možnosti njihove uporabe* nanopore (nosilci zdravil oziroma aktivnih snovi v reverzibilnih baterijah), nanocevke (nova generacija maziv, ojačitvena vlakna), nanodelci (samočistilni premazi,zaščitni premazi, barve), nanokristali (keramika, prikazalniki na poljsko emisijo), nanovlakna (tekstil, neprebojne tkanine), Ogljikove nanocevke so bile odkrite leta 1991 in so takoj vzbudile široko paleto napovedi možne uporabe. nanovrste (senzorika, sončne celice), nanoelektronika (tranzistor na tunelski efekt), nanotipala (mikroskopija, biosenzorika), nanoročice (detekcija razstreliv), nanolupine (prenos zdravilnih učinkovin), nanotrakovi (električni prevodniki), nanokompoziti (samomazalne prevleke, sončne celice, umetne mišice) itd. Razvoj novih orodij in njihove uporabe je silovit. Vedno več je tudi predvidevanj, da se bodo v prihodnosti pojavile povsem drugačne rešitve v nanoelektroniki, shranjevanju informacij, pridobivanju energije na osnovi bioloških procesov itd.

9 Za zgodnje odkrivanje raka so v razvoju senzorji, ki delujejo na osnovi nanomaterialov. Gre za drobne nitke ali cevke, ki se zaradi vezave na določene molekule upognejo. Z merjenjem tega upogiba bi bilo mogoče odkriti rakave spremembe že na celični ravni. Nanomedicina Nanorobotki, ki bi jih preprosto vbrizgali v kri in bi sami našli obolela mesta, postavili diagnozo, pozdravili okvaro in potem še nadzorovali, da se bolezen ne bi ponovila, so sanje nanomedicine. Razvoj nanodelcev kot nosilcev zdravilnih učinkovin ali kot senzorjev sprememb v organizmu spada v uresničljivi del teh sanj. Nanodelci so zaradi izjemne majhnosti zelo uporabni v onkologiji, za zdaj zlasti pri slikanju in diagnostiki, saj povečajo kontrast na slikah tumorjev, posnetih z jedrsko magnetno resonanco ali z rentgenskim slikanjem.

10 Izvor nanodelcev in kje jih* najdemo: naravni: erozija, puščavski prah, vulkanski izbruhi, virusi; proizvedeni: namensko proizvedeni: kozmetika, hrana, detergenti, tekstil, zaščitne vodoodbojne prevleke; nenamensko proizvedeni: stranski produkt pri industrijski proizvodnji (mletje, varjenje, brušenje, gradbeništvo, tehnologije razpršil; izgorevanje biomase in fosilnih goriv; izpuh motorjev z notranjim izgorevanjem, še zlasti dizelskih motorjev.

11

12 Posebne lastnosti nanodelcev: povečana kemična aktivnost, spremenjene fizikalne lastnosti, velika površina glede na maso, lebdenje v zraku; zaradi termične energije dosegajo hitrosti do več metrov na sekundo in trkajo z molekulami zraka, številčnost nanodelcev v cm3: pisarna: (deset do štirideset tisoč), varjenje: (4 milijoni), brušenje: (dvesto tisoč), izdih kadilca: > (sto milijonov).

13 Zakaj je velikost tako pomembna?* 70 nm delci prodrejo v pljučne mešičke. 50 nm delci prodrejo v celice. 30 nm delci prodrejo v celično jedro. ni podatkov o potovanju delcev, ki so manjši od 20 nm.

14 Kaj se zgodi, če nanodelci pridejo v živ organizem?* V človeško telo lahko delci pridejo skozi kožo, prebavila in predvsem dihala. Na vse tri načine lahko pridejo v krvni obtok, ki jih raznese po vsem telesu. Vse več je izsledkov, da lahko nanodelci iz krvnega obtoka ali prek živčnih poti zaidejo tudi v možgane. Povečane koncentracije nevrodegenerativnih bolezni v okoljih, obremenjenih z visokimi koncentracijami ultrafinih prašnih delcev, kažejo na možnost vpliva teh delcev v ozračju na razvoj nekaterih obolenj, kot sta npr. Parkinsonova in Alzheimerjeva bolezen.

15 Ali veste pri zgorevanju navadne sveče pride do sproščanja nanodelcev z velikostjo do 30 nanometrov.

16 Vsakih dodatnih 10 μg ogljika v m3 zraka za en odstotek poveča smrtnost zaradi bolezni srca. Skupki nanodelcev ogljika, ki nastajajo pri zgorevanju. Ali veste da naj bi pri gorenju vseh goriv, ki vsebujejo ogljik (npr. biomase, fosilna goriva), prihajalo do popolne oksidacije ogljika v ogljikov dioksid. Vendar popolne oksidacije v praksi ni, del ogljika ostane neoksidiran in se združuje v zelo majhne skupke z velikostjo okrog 10 nanometrov. Ti skupki se nato združujejo v nekoliko večje, do 100 nanometrov, in se izločajo v okolje okrog kurišča.

17 Ali veste da pri uporabi pirotehnike in razstreliv, uporabljenih v rudarstvu, gradbeništvu, pri vojaških vajah in vojaških operacijah nanodelci dobijo veliko hitrost vstran od središča eksplozije, kar jih med seboj oddalji in prepreči združevanje in s tem ohranja njihovo povečano kemično aktivnost.

18 Ali veste da je poleg gorenja največji onesnaževalec ozračja z nanodelci promet. Večina delcev v izpuhu avtomobilov ima velikost pod 100 nm, velik del celo pod 10 nm. Živeti v bližini prometnic ni zdravo ravno zaradi ogljika. Dizelski motorji so veliki onesnaževalci ozračja z nanodelci. Pri bencinskih motorjih je manj nanodelcev in manj nenasičenih strupenih dušikovih oksidov, medtem ko je prednost dizelskih motorjev ta, da proizvajajo manj ogljikovega dioksida.

19

20 Računalniška simulacija lotusovega površja in kapljica vode na katero se je nalepila umazanija. Lotusov list Najlepši primer hidrofobne površine v naravi je lotosov list, ki je izredno hidrofoben oz. skoraj že superhidrofoben. Čeprav raste v blatnem ribniškem okolju je vedno čist, saj se umazanija ponavadi v obliki vodnih raztopin sploh ne prime na površino. Kontaktna površina z listom je samo od 2 do 3% površine dežne kaplje. Zato da se list čisti sam je kriv hidrofoben zgornji sloj na listu in sama sestava lotusovega lista. Ta ima obliko igličastega sloja-površino pokrivajo strukture, ki imajo obliko hribčka in so visoke in široke okoli 10μm. Na teh igličastih strukturah pa se nahajajo še od nekaj nanometrov do enega mikrometra velike cevaste tvorbe iz hidrofobnega materiala. Taka površina kapljici ne ponuja nobenega dobrega oprijemališča zato se kapljica odkotali z nje in pri tem nase prilepi umazanijo z lista. Čeprav je fenomen lotosovega list znan in čaščen v Aziji že preko let sta botanika C. Neinhuis in W. Barthlott šele v 70-desetih ugotovila posebno sestavo lotosove površine. V zadnjih desetletjih se ta koncept uporablja tudi pri razvijanju materialov s hidrofobni mi lastnostmi.

21 FOTOSINTEZA!

22 Nanotehnologija proizvodna tehnologija, s katero dosežemo izredno natančnost in ultramajhne dimenzije. Nanotehnologija nam omogoča izdelavo materialov ali naprav, ki so lažje, hitrejše, močnejše, ki imajo popolnoma nove ali pa dodatne, specifične lastnosti.

23 Nanomateriali v površinski obdelavi lesa nanoaditivi boljša odpornost na abrazijo, odpornost na zlepljanje, odpornost na kemikalije, hitrejše sušenje in hitrejše utrjevanje. nanooksidi za zaščito lesa pred UV žarki; nano TiO2, nano ZnO, izboljšanje transparentnosti, stabilnosti, učinkovitosti in zniževanja stroškov proizvodnje. Z uporabo različnih nanodelcev bi tako dosegali različne efekte in izboljšave lastnosti ob znatno zmanjšani količini delcev in večji stabilnosti sistema. Kemično vezani nanodelci tudi ne morejo predstavljati nikakršne nevarnosti za ljudi.

24 NEVARNOSTI NANOTEHNOLOGIJ Nevarnost nano delcev narašča s padanjem njihove velikosti. Najnevarnejši so prosti nanodelci velikosti pod 50 nm, ker zlahka prodrejo skozi celično steno. uporaba je do neke mere lahko problematična za same proizvajalce, ki take materiale vgrajujejo v premaz, zaradi varovanja zaposlenih v delovnem okolju. Ko pa so nanodelci vgrajeni v premaz v večini primerov ne bi smelo biti kakih nepredvidljivih posledic za uporabnike premazov, saj so nanodelci v premazu vezani na polimerne matrice in ni verjetno, da bi se v dobi uporabe lahko sproščali v okolje v neaglomerirani obliki.