Denne artikel blev oprindeligt skrevet af National Nanotechnology Initiative (NNI) som en guide for reportere og journalister, der skriver om nanoteknologi sundheds-og sikkerhedsrisici. Det giver god baggrundsviden i forhold til forståelsen af løfter og farer inden for nanoteknologi. Hvorfor Små partikler er en stor historie I årtier har forskere forventes fra teorien om, at hvis de kunne manipulere med enkelte molekyler, kunne de ingeniør materialer med elektroniske, optiske, og andre egenskaber ikke er observeret i bulk - og åbne nye grænser inden for elektronik, medicin, og forbrugerprodukter. Snarere som celler bruger et par aminosyrer at samle proteiner med en bred vifte af egenskaber og funktioner, kan nanoteknologi gøre det muligt at designe og ingeniør materialer på molekylært niveau at have særlige egenskaber. "Der er masser af plads på bunden" er en ofte citeret profetiske quip i slutningen af Caltech fysikeren Richard A. Feynman i 1959. Et halvt århundrede senere, er løftet om nanoteknologi bliver virkelighed - ikke kun i laboratoriet, men allerede i nogle kommercielle forbruger-produkter, der spænder fra solcremer til selvrensende vinduer. Mere spændende er muligheder for målrettet kræftbehandling, hvor en tumor kan være udryddet, uden at gøre resten af kroppen syge. Miljømæssige forskere undersøger brugen af manipuleret nanoskala materialer (konstruerede nanomaterialer for korte) for at rense eller afsalte vand, for at forbedre energieffektiviteten, eller at rydde op farligt affald. Faktisk er folk begyndt at tale om konstruerede nanomaterialer som en helt ny klasse af materialer, og nanoteknologi som værende en ny industriel revolution, som har betydning for det enogtyvende århundrede som den første industrielle revolution var at det nittende århundrede og informationsteknologi revolution var at det tyvende. Men med sådan en revolutionerende ny teknologi kommer spørgsmål om erhvervsmæssig, forbruger-og miljømæssige sikkerhed og sundhed. Hvis konstruerede nanomaterialer har fysiske egenskaber forskellige fra deres bulk-kolleger, vil de også udgøre nye risici for menneskers sundhed i deres fremstilling, brug og bortskaffelse? Der er endnu ingen, der kender. Aktuelle data dybest set foreslå "det afhænger af." Men forskere både i det offentlige og det private erhvervsliv er ivrige efter at finde ud af. For det første kan toksicitet selv være nyttig. Faktisk er det meget efterspurgt for visse anvendelser, såsom kræft behandlinger. (Også huske på, at der ofte toksicitet afhænger af dosis og administration: Selv bordsalt er giftigt i høje doser.) For det andet, hvis toksicitet er kendt, håndtering og emballering procedurer kan udformes til at mindske risikoen for uønsket eksponering i fremstillingsprocesser, som det rutinemæssigt sker i virksomheder, der anvender farlige materialer. Sikker håndtering af procedurer for konstruerede nanomaterialer kan blive nødvendigt at afvige fra dem, der nu anvendes til større mikrometer-store partikler-især vigtigt for nanoproduktion arbejdstagere. Spørgsmål er også blevet rejst om sikkerheden af konstruerede nanomaterialer i forbrugsvarer eller i implantabelt medicinsk udstyr, eller på planter og dyr i miljøet efter bortskaffelse. For det tredje er nanoteknologi udviklere lydhørhed en lektion i, opfattede risiko fra en uafhængig high-tech felt: forbruger-modstand, der opstod ved indførelsen af afgrøder og produkter ved hjælp af genetisk modificerede organismer (GMO'er). I første del, opstod der modstand, fordi biotekselskaber indført GMO-produkter uden megen åben diskussion af legitime spørgsmål og bekymringer i offentligheden, med det resultat at den offentlige følte, at det var nødt til at acceptere risici for sundheden og miljøet og samtidig fordele var begrænset til øget overskud for store agroindustrien. Resultatet var omfattende offentlig mistillid og mistro. Ønsker at undgå en lignende skæbne (især i betragtning af, at bekymring og opfordrer til, at forordningen allerede er blevet udtrykt i visse kredse), er Nanotech udviklere forfølge, hvad de kalder "ansvarlig udvikling.", Der specifikt omfatter fremme tidligt, oprigtig pressedækning af arbejdet med at vurdere risici samt fordele af konstruerede nanomaterialer, såvel som enkle regler udtænkt gennem gennemsigtige processer. Denne artikel har tre formål: at skitsere grundlæggende kendsgerninger i fysik og biologi konstruerede nanomaterialer (og for den sags skyld også naturlige og tilfældige nanopartikler), at sætte fokus på centrale spørgsmål og ressourcer, og - vigtigst af alt - for at advare om modstridende resultater og faldgruber af logik og foreslå indsigtsfulde spørgsmål til kilder. Utvetydige vendinger Uenighed om klassificering Ifølge National Academies, skelnes der mellem tre typer af nano-skala partikler (ofte forkortet i litteraturen som "nåle"): naturlige, tilfældige, og manipuleret. Naturlig nanopartikler forekomme i miljøet (vulkansk støv, månestøv, magnetotactic bakterier, mineralsk komposit, osv.). Tilfældig nanopartikler, undertiden også kaldet affald eller menneskeskabte partikler, opstår som et resultat af menneskeskabte industrielle processer (diesel-udstødning, kulforbrænding, svejserøg, osv.). Både naturlige og tilfældige nanopartikler kan have uregelmæssig eller regelmæssige former. Udviklet nanopartikler oftest have regelmæssige former, såsom rør, kugler, ringe osv. Konstruerede nanomaterialer kan fremstilles enten ved formaling eller litografiske ætsning af en stor prøve for at opnåede nanostørrelse partikler (en tilgang, der ofte kaldes "top-down"), eller ved at samle mindre subunits gennem krystal vækst eller kemisk syntese til at vokse nanopartikler af den ønskede størrelse og konfiguration (en tilgang, der ofte kaldes "bottom-up"). Da de specifikke produktionsbetingelser, teknikken kan påvirke fare for menneskers sundhed, så spørg kilder til at angive. Seneste spørgsmål om giftighed er rettet mod konstruerede nanomaterialer. Ikke desto mindre litteratur om naturlige og tilfældige nanopartikler er nyttigt, fordi mere er kendt om dem (delvis på grund af forskning i smog, svejserøg, kulstøv, og ultrafine aerosoler), og fordi oplysninger om deres adfærd kan være nyttigt for at forstå adfærd konstruerede nanopartikler. Også ifølge National Academies, nanoskala materialer, uanset om manipuleret eller naturligt indtil videre ser ud til at falde i fire grundlæggende kategorier. Gruppen i øjeblikket med det største antal af kommercielle nanomaterialer er metaloxider, såsom zink-eller titanium oxider, som anvendes i keramik, kemiske polering agenter, ridsefast belægninger, kosmetik og solcreme. En anden stor gruppe er nanoclays, naturligt forekommende plade-lignende lerpartikler, der styrker eller hærde materialer eller gøre dem brandhæmmende. En tredje gruppe er nanorør, der anvendes i belægninger til at fjerne eller minimere statisk elektricitet (fx i brændstof linjer, harddisk håndtering af bakker, eller i bil organer, der skal males elektrostatisk). Den sidste gruppe er kvantepunkter, der anvendes i forsøgsfiskeri medicin eller i selvsamling af nanoelektroniske strukturer. Men vær opmærksom på: ikke alle officielle kilder finder den samme kategorisering nyttig. For eksempel deler det amerikanske Environmental Protection Agency konstruerede nanopartikler til kulstof-baserede materialer (nanorør, fullerener), metal-baserede materialer (herunder både metaloxider og kvantepunkter), dendrimers (nano-størrelse polymerer opbygget af forgrenede enheder af uspecificerede kemi) , og kompositter (herunder nanoclays). Uenighed om Definition De fleste USA og britiske nanotek eksperter definerer NSP'er som partikler mindre end 100 nanometer (nm)-dvs, 0,1 mikrometer eller mikron (μm)-i én dimension. Således vil en fiber tyndere end 100 nm blive betragtet som en NSP, selv om det var flere mikrometer lange. Denne definition er dog ikke universel. I Japan , Partikler mellem 50 og 100 nm er klassificeret som "ultrafines" og kun dem under 50 nm i en dimension betragtes som ægte nåle. Når det er sagt, endda nogle amerikanske myndigheder også bruge udtrykket "ultrafines" til at beskrive partikler under 100 nm (dog som regel i forbindelse med eneste naturlige eller tilfældige nanopartikler-sjældent refererer til konstruerede nanopartikler). For at løse en sådan forvirring, ISO, IEC, ANSI, ASTM, og andre nationale og internationale standardiseringsorganisationer er nu diskuterer standardisering af terminologi, metrologi, karakterisering og indfaldsvinkler til sikkerhed og sundhed. Indtil alt dette er afsluttet, skal du bede kilder at tydeliggøre definitioner og antagelser deres specifikke arbejde. Forskellene kan være afgørende for fysik og biologi er blevet indberettet. Bare hvor lille er 100 nm? Det handler om en hundredtusinddel diameteren på et menneskehår (som er 50 til 100 mM). Mere nyttigt, 1 m (1.000 Nm) er på størrelse med en bakterie, om grænsen for, hvad der er synligt gennem det meste lys mikroskoper. I modsætning hertil er 100 nm på størrelse med en virus, en tiendedel størrelse med en bakterie. Nåle, som virus, er usynlige selv gennem det bedste lys mikroskop, fordi de er mindre end bølgelængder af lys (der spænder fra omkring 700 nm i det røde til 400 nm i violet), de kan filmede kun med nogle højere opløsning instrument som en scanning elektron mikroskop. 1 nm er på størrelse med et enkelt sukkermolekyle. Fire Forventet Generationer Allerede nu er forskere taler om generationer af konstruerede nanomaterialer. Første generation er passiv nanostrukturer, såsom individuelle partikler, belægninger osv. - typer af konstruerede nanomaterialer allerede er indarbejdet i nogle forbrugerprodukter. Anden generation er nanostrukturer, der udfører en aktiv funktion, såsom transistorer eller sensorer, eller at reagere på en adaptiv måde, mange er under udvikling. Tredje generation af konstruerede nanomaterialer kan være tre-dimensionelle systemer, der kan selv samle eller skal bruges til at målrette drug delivery til bestemte dele af kroppen, forventes at blive udviklet omkring 2010. Fjerde generation forventes at være molekylære strukturer gennem design. Et simpelt tankeeksperiment viser, hvorfor nanopartikler har så fænomenal overflade pr volumen. En solid kube af et materiale, 1 cm på en side-om på størrelse med en sukkerknald-har 6 kvadratcentimeter af areal, ca svarende til den ene side af et halvt stykke tyggegummi. Men hvis det volumen på 1 kubikcentimeter var fyldt med terninger 1 mm på en side, ville det være 1.000 millimeter-store terninger (10 x 10 x 10), som hver især har et areal på 6 kvadrat millimeter. Det samlede areal af de 1.000 terninger tilføjer op til 60 kvadratcentimeter-om det samme som den ene side af to tredjedele af en 3 x 5 notecard-fordi man må regne med overfladen inden for alle de millimeter kuber selv i det indre af oprindelige volumen. Men når det eneste kubikcentimeter af volumen er fyldt med terninger 1 nanometer på en side, ja, 1021 af dem, hver med et areal på 6 kvadrat nanometer-deres samlede areal kommer til 60 millioner kvadrat centimeter eller 6.000 kvadratmeter. Med andre ord, har en enkelt kubikcentimeter af kubiske nanopartikler et samlet areal tredjedel igen større end en fodboldbane!  Figur 1. Overfladeareal diagram
[Kilde: Trudy E. Bell, grafik høflighed af Nicolle Rager Fuller] Det overraskende Fysik af konstruerede nanomaterialer Size Matters På nanoskala, grundlæggende mekaniske, elektroniske, optiske, kemiske, biologiske, og andre egenskaber kan afvige væsentligt fra ejendomme i mikrometer-store partikler eller bulk materialer. En af grundene er overfladeareal. Overfladeareal tæller, fordi de fleste kemiske reaktioner, der involverer faste stoffer ske på de overflader, hvor kemiske bindinger er ufuldstændige. Overfladearealet af en kubikcentimeter af et solidt materiale er 6 kvadratcentimeter-om det samme som den ene side af et halvt stykke tyggegummi. Men overfladearealet af en kubikcentimeter af 1-nm partikler i en ultrafine pulver er 6.000 kvadratmeter-bogstaveligt talt en tredjedel større end en fodboldbane. (Se figur 1, ovenfor.) Således kan samlinger af nåle med deres enorme arealer undtagelsesvis reaktive (medmindre en belægning er anvendt), fordi mere end en tredjedel af deres kemiske bindinger er på deres overflader. For eksempel har nanopartikler af sølv vist sig at være et effektivt bakteriedræbende-inspirere flere virksomheder til at designe genanvendelige vandrensningsanlæg filtre vha. nanoskala sølv fibre. I hvilken størrelse bruger et materiales egenskaber begynde at ændre? Er det en gradvis forvandling som et provenu fra store til små, eller er der en tærskel, under hvilken de egenskaber brat forandring? Begge kan være sandt, faktisk. Quantum-størrelse effekter begynder at signifikant vil ændre materialeegenskaber (som gennemsigtighed, farve fluorescens, elektrisk ledningsevne, magnetisk permeabilitet, og andre karakteristika), når de dominerer termiske virkninger, som for mange materialer er omkring 100 nm. For elektroniske egenskaber, øge kvante-size effekter omvendt proportionalt med aftagende partikelstørrelse. Men for nogle materialer, bliver andre særskilte ejendomme udpræget på bestemte størrelser - for eksempel, har guld nanopartikler stærkt øget katalytiske egenskaber ved 3 nm. Karakterisere materiale effekter ved forskellige størrelser er et varmt område for grundforskning.  Figur 2. Structures af Diamond, Grafit og buckminsterfullerene Carbon og nogle andre elementer (herunder svovl, tin, og ilt) findes i flere forskellige strukturelle former, kaldet allotropes, som har meget forskellige egenskaber. For eksempel, i krystallinsk form er rent kulstof findes som grafit (meget blød), diamant (meget hårdt), og forskellige størrelser af Buckminsterfullerenes (afhængigt af antallet af kulstofatomer). Form Matters Udviklet nanomaterialer med samme kemiske sammensætning kan have mange forskellige former (herunder kugler, rør, fibre, ringe, og fly). Desuden kan hver eneste af disse figurer har forskellige fysiske egenskaber, fordi det mønster af molekylære obligationer er forskellige, selvom de er sammensat af de samme atomer. For eksempel, indtil 1985 troede man, at rent kulstof kom i kun to krystallinske former: grafit (hvis sekskantede krystalgitter ligger i en to-dimensionel fly) eller diamant (hvis kubisk krystalgitter strækker sig i alle tre dimensioner). Det år, var hule bure af 60 kulstofatomer i en soccerball form først gjort i laboratoriet (og også uafhængigt opdaget i fjerne stjerner og forbrænding biprodukter) - en ny krystallinsk form af kulstof så betydelig det blev anerkendt af Nobelprisen i kemi i 1996. Den nye form, er temmelig stabilt, blev udnævnt til buckyball eller fulleren efter arkitekten Richard Buckminster Fuller, opfinder af den geodætiske kuppel af den samme form. Siden da har stabile fullerener på 70, 74 og 82 kulstofatomer også blevet syntetiseret. (Se figur 2 ovenfor) Ligeledes har titandioxid (TiO 2) er blevet syntetiseret i nåle af mindst to forskellige former og krystallinske strukturer, som hver især kan have forskellige toksiciteter. Selvom titandioxid er normalt uigennemsigtig hvid - ja, der bruges til at lave hvide farver - som konstruerede nanopartikler, dets optiske egenskaber ændres, så det bliver gennemsigtige. Alligevel er det stadig effektivt blokerer ultraviolet lys, en kombination af egenskaber attraktivt for producenter af kosmetik og solcreme. Andre egenskaber sagen. Andet materiale egenskaber, der kan være mere vigtigt end blot størrelse omfatter afgift, krystalstruktur, overfladebelægninger, restforurening afhængigt af metode til syntese, og tendens af individuelle nanopartikler til samlet i større klumper. Hazard, Risk og øvrige vilkår for Kunst Hvis de fysiske egenskaber af NSP er så forskellige fra bulk materialer, hvad kan være konsekvenser for toksikologi og risikoen for eksponering af mennesker? Først nogle væsentlige definitioner: · Hazard · Risiko · Eksponering · Dosis Flere dagligdags ord har specifikke betydninger inden for risikoanalyse, toksikologi, eller erhvervsmæssig sikkerhed og sundhed. Hazard "Hazard" er potentiale til at forårsage skade, det er en iboende egenskab ved et materiale. Svovlsyre, for eksempel, er et farligt materiale i kraft af sin kemi. Intet kan ændre det, kort for at ændre dens kemi til at blive noget andet. Risiko "Risiko" er sandsynligheden for skade forekommende, og det er en kombination af en fare med sandsynligheden for eksponering og omfanget og hyppigheden af doser. Risici, i modsætning til farer, der kan styres og minimeres: et farligt materiale giver anledning lav risiko, hvis chancerne for eksponering og omfanget og hyppigheden af den dosis, der kan modtages gennem, at eksponeringen er lav. Efterlod en umærket papir kop koncentreret svovlsyre på et køkkenbord indebærer stor risiko, fordi chancen for risiko som den potentielle dosis er høj, men den samme syre, hvis korrekt mærket og låst inde i en kemi lab, som kun uddannet personale har adgang til, udgør en minimal risiko. Eksponering "Exposure" er en kombination af koncentrationen af et stof i en mellemstor ganget med varigheden af kontakt. For eksempel fortyndet svovlsyre, at stænk og hurtigt vaskes af, er en lav eksponering dosis, der kun rødme af huden; koncentreret svovlsyre lov til at sidde på huden er en høj eksponering dosis, der sandsynligvis vil forårsage alvorlige forbrændinger. Dosis "Dosis" er den mængde af et stof, der går ind i en biologisk system og kan måles som systemiske dosis, det samlede beløb, der tages op af det biologiske system, eller som det beløb i et specifikt organ (hud, lunger, lever, etc.) . Og heri ligger flere ubesvarede spørgsmål. Spørgsmål Om Dosimetri Hidtil har eksponeringen for støv og giftige doser er målt i masse pr volumen, almindeligvis milligram per kubikmeter. Men selv meget lave koncentrationer af NSP - enten de er naturlige, tilfældige eller kunstigt - i luften repræsenterer en fænomenal antal partikler, som er velkendt fra målinger af ultrafine forurenende stoffer. Udsættes lab rotter til 100-nm titaniumdioxid partikler har fremkaldt den samme mængde pulmonal inflammation som 10 gange større masse af større (1-2.5-μm) partikler. I virkeligheden, i det mindste nogle tilfælde mængden af betændelse synes at være bedre korreleret til partikel overflade administreret nåle end til deres masse. Således er nogle toksikologer nu spekulerer på, om arealet ville være et bedre mål for dosis for NSP end masse. Indtil forskerne ved, der tæller mest, er mange efterforskere begyndt at angive både i deres papirer. Det overraskende Toksikologi af nanopartikler Size Matters Størrelse kan have en anden afgørende biologiske konsekvens: hvor nanopartikler ender i kroppen. Nanostørrelse partikler kan ende op i forskellige dele af kroppen afhængig af størrelse og andre egenskaber samt indgangsveje. Selvom mange optagelse og translokation ruter er blevet påvist, andre stadig er hypotetiske, og skal undersøges. Translokationen priser er stort set ukendt, ligesom ophobning og tilbageholdelse i kritiske målrette sites og deres underliggende mekanismer. Disse, såvel som potentielle uønskede virkninger, i høj grad afhænge af fysisk-kemiske egenskaber af overfladen, og kernen i NSP. Både kvalitative og kvantitative ændringer i NSP biokinetics i en syg eller kompromitteret organisme skal også tages i betragtning. Form Matters Selv om formen af NSP også give dem unikke egenskaber, under de giftige stoffer Control Act (TCSA) konstruerede nanopartikler kan ikke betragtes som nye stoffer, medmindre de har en unik sammensætning. For eksempel er TiO 2 nanopartikler behandles på samme måde med hensyn til regulering som bulk TiO 2, selv om de to former har forskellige egenskaber. Nogle undersøgelser viser, at de materialer med samme sammensætning, men af forskellige former samt størrelser har forskellige toksiciteter - i øvrigt ikke med en lineær sammenhæng, som man kunne forvente. For eksempel viste en undersøgelse, at nanopartikler fra 50 til 130 nm på tværs af kvarts-krystallinsk silica (et stof, kendt for at være giftige) var mindre giftigt end 1,6-μm partikler - men det 10-nm partikler var faktisk mere giftige. Men rute for indrejse i kroppen samt dosis også påvirker toksicitet. Renhed Matters Bulk kulstof i makroskopiske komponenter er lægeligt nyttigt, fordi det ikke er giftigt for eller afvises af kroppen. Alligevel har nogle forskere observeret fra forsøg, at kulstof-nanorør (især én væg eller multi-walled carbon nanorør) synes at være mere giftige end andre former for kulstof. Andre har debatteret, at krav på, fordi de anvendte nanorør havde sporforureninger af jern eller opløsningsmidler. Faktisk er nogle undersøgelser tyder på, at andre former for nanoskala carbon, såsom C60 fullerener kan forhindre toksicitet ved at være antioxidanter. Muligvis på spil her, i lignende debatter andre konstruerede nanomaterialer, eller kan være renheden af konstruerede nanomaterialer. På dette stadium, folk ikke har absolut gentagelig kontrol på fremstillingsprocesser; Nanotech produktionen nu er omtrent, hvor produktionen af indium galliumarsenid phosphid (InGaAsP) halvleder lasere var i begyndelsen til midten af 1980'erne - relativt lavt udbytte af pålidelig produktion. Således buckyball produkter fra én leverandør er ikke nødvendigvis identiske med dem fra en anden, kan det toksicitet forskellige. Spørg kilder forsigtige spørgsmål om størrelsen af partikler, deres fremstilling, eksperimentelle metoder, uanset om de er karakteriseret selve materialerne på det tidspunkt, hvor de udførte forsøget eller blot troede, at erklæringerne fra leverandøren, og sammenligning af deres resultater med andre undersøgelser. Stay tuned Med mere forskning i gang, er der flere og nye publikationer rapportering om nanotoksikologi. Indtil der foreligger mere sikker, har National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) offentliggjorde forskningsbehov og foreløbige retningslinjer for beskyttelse af arbejdstagerne i Nanotech industrier i sin rapport Tilgange til Sikker Nanoteknologi. |