מאמר זה נכתב במקור כמדריך כתבים ועיתונאים כותבים על בריאות ננוטכנולוגיה סיכוני בטיחות על ידי יוזמת הננוטכנולוגיה הלאומי (NNI). הוא מציע ידע רקע טוב ביחס להבנת הבטחות וסכנות בננוטכנולוגיה. למה חלקיקים קטנים סיפור גדול במשך עשרות שנים, מדענים הצפוי מן התיאוריה כי אם הם יכולים לתפעל מולקולות בודדות, הם יכולים מהנדס חומרים בעלי תכונות אלקטרוניות, אופטיות, אחרים לא נצפתה בתפזורת - ו לפתוח אופקים חדשים בתחום האלקטרוניקה, רפואה, מוצרי צריכה. במקום כמו תאים להשתמש חומצות אמינו כמה להרכיב חלבונים עם מגוון רחב של מאפיינים ופונקציות, ננוטכנולוגיה עשויה לאפשר תכנון מהנדס חומרים ברמה המולקולרית יש מאפיינים ספציפיים. "יש שפע של מקום בתחתית" הוא תעלול נבואי המצוטטת לעתים קרובות של המנוח קלטק הפיזיקאי ריצ'רד פיינמן בשנת 1959 א. חצי מאה מאוחר יותר, את ההבטחה של ננוטכנולוגיה הופך למציאות - לא רק במעבדה, אבל כבר כמה מוצרי צריכה מסחרי החל מסנני קרינה עצמית ניקוי חלונות. מרגש עוד אפשרויות של טיפולים בסרטן ממוקד, שבו הגידול עלול להימחק בלי שאר הגוף חולה. החוקרים הסביבה חוקרים את השימוש בחומרים ננו מהונדסים (ננו מהונדסים בקיצור) לטהר או להתפיל מים, כדי לשפר את היעילות האנרגטית, או לנקות פסולת מסוכנת. אכן, אנשים מתחילים לדבר על ננו מהונדסים כמעמד חדשה לגמרי של חומרים, ננוטכנולוגיה כעל מהפכה תעשייתית חדשה, כפי משמעותי במאה העשרים ואחת, כמו המהפכה התעשייתית הראשונה היתה המאה התשע עשרה לבין טכנולוגיות המידע המהפכה היתה העשרים. אבל עם טכנולוגיה כזו חדשה ומהפכנית לבוא שאלות על בעיסוק, הצרכן, בטיחות ובריאות סביבתית. אם ננו מהונדסים בעלי תכונות פיזיקליות שונות בתפזורת עמיתיהם שלהם, הם עלולים גם להוות סיכון חדש לבריאות האדם בייצור שלהם, שימוש וסילוק? נכון לעכשיו, אף אחד לא יודע. נתונים נוכחיים בעצם מציע "זה תלוי." אבל החוקרים הן הממשלה והתעשייה פרטית להוטים לגלות. ראשית, רעילות עצמו יכול להיות שימושי. אכן, ביקשו במיוחד עבור יישומים מסוימים, כמו טיפולים בסרטן. (כן, יש לזכור כי לעתים קרובות רעילות תלויה במינון ומינהל: אפילו מלח שולחן הוא רעיל במינונים גבוהים). שנית, אם רעילות ידועה, הטיפול ונהלי האריזה ניתן המציאו כדי להקטין סיכונים של חשיפה בלתי רצויה בתהליכי ייצור, כפי שנעשה באופן שגרתי בתעשיות שימוש בחומרים מסוכנים. טיפול בטוח נהלים ננו מהונדסים ייתכן שתצטרך שונים מאלה המשמשים כיום עבור גדול מיקרומטר בגודל חלקיקים, במיוחד חשוב עבור עובדים nanomanufacturing. יש גם שאלות הועלו לגבי הבטיחות של ננו מהונדסים מוצרי הצריכה או מכשירים רפואיים מושתלת, או צמחים ובעלי חיים בסביבה לאחר סילוק. שלישית, מפתחי ננוטכנולוגיה שהעדפתי את שיעור הסיכון הנתפס מ שאינו קשור ההייטק שדה: התנגדות הצרכנים שעלו על הקדמה של יבולים ומוצרים באמצעות אורגניזמים מהונדסים גנטית (הנדסה גנטית). בין השאר, כי ההתנגדות שקמה חברות ביוטכנולוגיה הציגה מוצרים GMO ללא דיון פתוח הרבה שאלות ודאגות לגיטימי לציבור הרחב, וכתוצאה מכך הציבור הרגיש שזה היה צריך לקבל סיכונים לבריאות וסביבה בעוד היתרונות הוגבלו הרווחים מוגבר גדול agribusiness. התוצאה היתה חוסר אמון ציבורי חשד נרחבת. הרצון להימנע מגורל דומה (במיוחד לנוכח העובדה דאגה וקורא תקנה כבר לידי ביטוי בחוגים מסוימים), מפתחי ננוטק רודפים אחרי מה שהם מכנים "פיתוח אחראי." זה מעודד במיוחד הכוללת כיסוי מוקדם, לחץ ישיר של עבודה בהערכת סיכונים כמו גם היתרונות של ננו מהונדסים, כמו גם תקנות פשוט המציאו באמצעות תהליכים שקופים. מאמר זה יש שלוש מטרות: לשרטט יסודות חיוניים של הפיסיקה והביולוגיה של ננו מהונדסים (וגם, לצורך העניין, טבעי גם חלקיקים אגב), כדי להדגיש סוגיות מפתח ומשאבים, ו - והכי חשוב - כדי להתריע על ממצאים סותרים החסרונות של ההיגיון להציע שאלות תובנה מקורות. כחל ושרק מחלוקת על סיווג על פי האקדמיה הלאומית, נעשתה הבחנה בין שלושה סוגי בקנה מידה ננו חלקיקים (לעתים קרובות מקוצר בספרות "NSPs"): טבעי, מקריים, ומתוכננים. חלקיקים טבעיים מתרחשים בסביבה (אבק וולקני, אבק הירח, חיידקים magnetotactic, מרוכבים מינרלים וכו '). חלקיקים מקריים, המכונה לעתים גם פסולת או חלקיקים אנתרופוגניים, להתרחש כתוצאה של תהליכים תעשייתיים מעשה ידי אדם (דיזל, פחם בעירה, אדי ריתוך וכו '). שני חלקיקים טבעיים מקריים ייתכן צורות סדיר או קבוע. חלקיקים מהונדסים לרוב יש צורות קבוע, כגון צינורות, כדורים, טבעות, וכו ' ננו מהונדסים יכול להיות מיוצר גם על ידי כרסום או חריטה ליתוגרפיות של מדגם גדול חלקיקים nanosized שהושגו (גישה המכונה לעתים קרובות "מלמעלה למטה"), או על ידי הרכבת יחידות משנה קטנות יותר דרך הצמיחה קריסטל או סינתזה כימית לגדול חלקיקים בגודל הרצוי תצורה (גישה המכונה לעתים קרובות "מלמטה למעלה"). מאז טכניקת ייצור ספציפי עשוי להשפיע על הסיכון לבריאות האדם, לשאול לציין מקורות. שאלות אחרונות לגבי רעילות מכוונות ננו מהונדסים. עם זאת, בספרות על חלקיקים טבעיים מקריים מועיל, כי יותר ידוע עליהם (בין השאר, בגלל מחקר, אדי ריתוך ערפיח, אבק פחם, אירוסולים ultrafine), ובגלל מידע על ההתנהגות שלהם יכול להיות מועיל עבור הבנה את ההתנהגות של חלקיקים מהונדסים. כמו כן, על פי האקדמיה הלאומית, חומרים אם ננו מהונדסים או טבעי עד כה נראה מתחלקים לארבע קטגוריות בסיסיות. הקבוצה כרגע עם המספר הגדול ביותר של ננו מסחרי הוא תחמוצות מתכת, כגון תחמוצות אבץ או טיטניום, אשר משמשים קרמיקה, חומרים כימיים ליטוש, לגרד עמידים ציפויים, מוצרי קוסמטיקה, מסנני קרינה. קבוצה שנייה היא משמעותית nanoclays, טבעי צלחת כמו חלקיקי חרס לחזק או להקשיח חומרים או לגרום להם מעכב להבה. קבוצה שלישית היא צינורות, אשר משמשים ציפויים להתפוגג או למזער חשמל סטטי (למשל, קווי דלק, במגשים לטיפול בדיסק הקשיח, או בגוף הרכב להיות צבוע אלקטרוסטטי). הקבוצה האחרונה היא נקודות קוונטיות, המשמש ברפואה גישוש או הרכבה עצמית של מבנים nanoelectronic. אבל להיות מודע: לא כל מקור רשמי מוצא את הסיווג אותו שימושי. לדוגמה, המשרד להגנת הסביבה בארה"ב מחלק חלקיקים מהונדסים לתוך חומרים מבוססי פחמן (צינוריות, פולרנים), חומרים מבוססי מתכת (כולל שתי תחמוצות מתכת נקודות קוונטיות), dendrimers (בגודל ננו פולימרים בנוי מיחידות מסועפת של כימיה לא מוגדר) , וחומרים מרוכבים (כולל nanoclays). אי הסכמה על הגדרה ביותר ארצות הברית מומחים ננוטק הבריטי מגדירים NSPs כמו חלקיקים קטנים מ -100 ננומטר (ננומטר), כלומר 0.1 מיקרומטר או מיקרון (מיקרומטר), במימד אחד. לכן, סיבים דקים יותר מ -100 ננומטר ייחשב NSP, גם אם היו מיקרומטרים אחדים ארוך. הגדרה זו, עם זאת, הוא לא אוניברסלי. בתוך יפן , חלקיקים בין 50 ל 100 ננומטר הם מסווג "ultrafines" ורק אלה להלן 50 ננומטר במימד אחד נחשבים NSPs אמיתי. עם זאת, ואפילו כמה סוכנויות בארה"ב גם להשתמש במונח "ultrafines" כדי לתאר חלקיקים מתחת 100 ננומטר (אם כי בדרך כלל בהקשר של טבעי או מקרי, חלקיקים לעתים רחוקות מתייחסים חלקיקים מהונדסים). כדי לפתור בלבול כזה, ISO, IEC, ANSI, ASTM, ועוד גופים לאומיים ובינלאומיים תקנים דנים עכשיו סטנדרטיזציה של המינוח, המטרולוגיה, אפיון, וגישות בטיחות ובריאות. עד שכל זה היא סופית, לשאול מקורות להבהיר הגדרות ההנחות שבבסיס העבודה הספציפיים שלהם. ההבדלים עשויים להיות מכריעים הפיסיקה והביולוגיה שדווח. עד כמה קטן הוא 100 nm? זה בערך אחד חלקי מאה אלף הקוטר של שערת אדם (שהוא 50-100 מיקרומטר). עוד מועילה, 1 מיקרומטר (1000 ננומטר) הוא בערך בגודל של חיידק, על הגבול של מה נראה דרך מיקרוסקופ אור ביותר. לעומת זאת, 100 ננומטר הוא בערך בגודל של וירוס, 1 / 10 בגודל של חיידק. NSPs, כמו וירוסים, אינן נראות אפילו מבעד למיקרוסקופ אור הטובה ביותר, כי הם קטנים יותר מאשר אורכי הגל של האור (אשר נע בין כ - 700 ננומטר האדום עד 400 ננומטר סגול); הם יכולים להיות צילמו רק עם רזולוציה גבוהה יותר מכשיר כגון סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים. 1 ננומטר הוא בערך בגודל של מולקולת סוכר אחת. ארבעה דורות הצפוי כבר מדענים מדברים במונחים של דורות של ננו מהונדסים. דור ראשון הוא ננו פסיביים, כגון חלקיקים, ציפויים הפרט וכו '- סוגים של ננו מהונדסים כבר שולבו לתוך כמה מוצרי צריכה. הדור השני הוא ננו המבצעות פונקציה פעילה, כגון טרנזיסטורים או חיישנים, או להגיב בצורה אדפטיבית; רבים בפיתוח. הדור השלישי ננו מהונדסים יכול להיות תלת מימדי מערכות שיכול עצמית להרכיב או לשמש יעד משלוח סמים על חלקים מסוימים של הגוף, הצפוי להיות מפותח על 2010. מהדור הרביעי צפויה להיות מבנים מולקולריים באמצעות העיצוב. ניסוי מחשבתי פשוט מראה מדוע יש חלקיקים פני שטח כזה פנומנלי ליחידת נפח. קוביית מוצק של 1 ס"מ חומר על גודל תופעות על קוביית סוכר, יש 6 סנטימטרים רבועים של שטח הפנים, שווה על צד אחד של המקל וחצי של מסטיק. אבל אם זה נפח של 1 סנטימטר מעוקב היו מלאים מ"מ 1 קוביות בצד, זה יהיה 1,000 מילימטר בגודל קוביות (10 x 10 x 10), כל אחד מהם יש שטח של 6 מילימטרים רבועים. שטח הפנים הכולל של 1,000 קוביות מוסיף עד 60 סנטימטרים רבועים, בערך כמו צד אחד של שני שלישים של 3 x 5 הכרטיס, כי יש לספור את שטח פנים של כל קוביות מילימטר אפילו הפנים של נפח המקורי. אבל כאשר זה סנטימטר מעוקב אחד של נפח מלא קוביות 1 ננומטר על הצד כן, 1,021 מהם, כל אחד עם שטח של 6 ננומטרים שלהם מרובע שטח הכולל מגיע 60,000,000 סנטימטרים רבועים או 6,000 מטרים רבועים. במילים אחרות, סנטימטר מעוקב אחד של חלקיקים מעוקב יש שטח פנים הכולל 1 / 3 שוב גדול יותר מאשר מגרש כדורגל!  באיור 1. אזור תרשים Surface
[מקור: טרודי א בל; באדיבות גרפיקה של Nicolle רגר פולר] הפיזיקה מפתיע של ננו מהונדסים גודל Matters ב הננומטרי, בסיסי מכניות, אלקטרוניות, אופטיות כימיות, ביולוגיות, ומאפיינים אחרים עשויים להיות שונים באופן משמעותי מן המאפיינים של חלקיקים בגודל מיקרומטר או חומרים בתפזורת. אחת הסיבות לכך היא פני השטח. פני השטח ספירת כי תגובות כימיות ביותר מעורבים מוצקים לקרות בכל המשטחים, כאשר הקשרים הכימיים אינם שלמים. שטח הפנים של סנטימטר מעוקב של חומר מוצק היא 6 ס"מ, על מרובע זהה בצד אחד של המקל וחצי של מסטיק. אבל את פני השטח של סנטימטר מעוקב של 1 ננומטר חלקיקים אבקת ultrafine הוא 6,000 מטרים רבועים, פשוטו כמשמעו, 1 / 3 יותר מאשר מגרש כדורגל. (ראה תרשים 1, לעיל). לכן, אוספים של NSPs עם אזורים השטח העצום שלהם יכול להיות תגובתי במיוחד (אלא אם כן ציפוי מוחל), כי יותר משליש של קשרים כימיים שלהם על פני השטח שלהן. לדוגמה, חלקיקים של כסף כבר נמצא להיות יעיל חיידקים מעוררי מספר חברות לתכנן שימוש חוזר לטיהור מים מסננים באמצעות סיבי כסף ננומטריים. באיזה גודל לעשות מאפיינים של חומר להתחיל לשנות? האם זה שינוי הדרגתי כאחד ההכנסות גדול קטן, או שיש סף שמתחתיו המאפיינים פתאום לשנות? גם עשוי להיות נכון, למעשה. Quantum בגודל תופעות להתחיל לשנות באופן משמעותי את תכונות החומר (כמו צבע שקיפות, מוליכות, פלואורסצנציה חשמל, חדירות מגנטית, ומאפיינים אחרים) כל אימת שהם שולטים אפקטים תרמיים, אשר עבור חומרים רבים הוא סביב 100 ננומטר. עבור המאפיינים האלקטרוניים, בגודל קוונטי תופעות להגדיל הפוך עם גודל החלקיקים יורדת. עם זאת, עבור חומרים מסוימים, תכונות שונות אחרות הופכים בולטים בגדלים מסוימים - למשל, חלקיקי זהב הגדילו מאוד את המאפיינים קטליטי ב 3 ננומטר. אפיון ההשפעות חומר בגדלים שונים הוא אזור חם של מחקר בסיסי.  איור 2. מבנים של יהלום, גרפיט ו Buckminsterfullerene פחמן ועוד כמה מרכיבים אחרים (כולל גופרית, בדיל, חמצן) נמצאים צורות מבניות רבות, allotropes בשם, אשר יש תכונות שונות באופן משמעותי. לדוגמה, צורה גבישית, פחמן טהור נמצא בתור גרפיט (רך מאוד), יהלום (קשה מאוד), בגדלים שונים של Buckminsterfullerenes (תלוי במספר אטומי פחמן). צורה Matters ננו מהונדסים עם הרכב כימי זהה יכול להיות מגוון של צורות (כולל ספירות, צינורות, סיבים, טבעות, ומטוסים). יתר על כן, כל אחד ואחד צורות אלה עשויים להיות בעלי תכונות פיזיקליות שונות, מכיוון שדפוס הקשרים המולקולאריים שונים למרות שהם מורכבים מאותם אטומים. לדוגמה, עד 1985, זה היה האמין כי פחמן טהור הגיעו רק שתי צורות גבישי: גרפיט (שאת משושה הסריג הגבישי טמון במישור דו מימדי) או יהלום (שאת מעוקב הסריג הגבישי מרחיב בכל שלושת הממדים). באותה שנה, כלובים חלול של 60 אטומי פחמן בצורת soccerball נעשו לראשונה במעבדה (וגם גילה באופן עצמאי כוכבים רחוקים ועל תוצרי לוואי בעירה) - צורה חדשה של פחמן גבישי משמעותי כך שהוא הוכר על ידי פרס נובל לכימיה בשנת 1996. טופס חדש, יציב למדי, נקרא באקי או פולרן לאחר האדריכל ריצ'רד בקמינסטר פולר, ממציא הכיפה הגיאודזית של צורה זהה. מאז, פולרנים יציבה של 70, 74, ו 82 אטומי פחמן יש גם מסונתז. (ראה תרשים 2 לעיל) כמו כן, דו תחמוצת טיטניום (טיו 2) כבר מסונתז NSPs של לפחות שתי צורות שונות מבנים גבישיים, שכל אחד מהם יכול להיות רעילות שונות. למרות טיטניום דיאוקסיד הוא בדרך כלל אטום לבן - אכן, היא נהגה להכין צבעי לבן - כמו חלקיקים מהונדסים, שינוי תכונות אופטיות שלה, שמאפשר לו להיות שקוף. עם זאת, עדיין חוסם ביעילות האור האולטרה סגול, שילוב של נכסים אטרקטיביים למקבלי של מוצרי קוסמטיקה מסנני קרינה. עניין ומאפיינים אחרים. תכונות חומר אחר אשר עשוי להיות חשוב יותר מאשר רק בגודל כוללים תשלום המבנה הגבישי, ציפוי פני השטח, זיהום שיורית תלוי בשיטה של סינתזה, ואת הנטייה של חלקיקים בודדים לצבור לגושים גדולים יותר. , סיכונים סיכונים והתנאים האחרים של אמנות אם את התכונות הפיסיקליות של NSPs הם כל כך שונה חומרים בתפזורת, מה יכול להיות השלכות על הרעלים ואת הסיכון של החשיפה האנושית? ראשית, כמה הגדרות חיוניים: · מפגע · להסתכן · חשיפה · מנה כל יום כמה מילים יש משמעויות ספציפיות בתחומים של ניתוח סיכונים, טוקסיקולוגיה, או בטיחות ובריאות תעסוקתית. מפגע "מפגע" הוא הפוטנציאל לגרום נזק, היא נכס מהותי של חומר. חומצה גופרתית, למשל, הוא חומר מסוכן מכוח הכימיה שלה. שום דבר לא יכול לשנות את זה, קצר של שינוי הכימיה שלה להפוך למשהו אחר. להסתכן "סיכון" הוא הסבירות של התרחשות נזק, היא שילוב של סיכון עם הסתברות של חשיפה עוצמת ותדירות של מינונים. סיכונים, בניגוד סיכונים, יכול להיות מנוהל ממוזער: חומרים מסוכנים מהווה סיכון נמוך אם את סיכויי החשיפה עוצמת ותדירות המינון שעשוי להתקבל באמצעות חשיפה נמוכים. השארת כוס נייר ללא תווית של חומצה גופרתית מרוכזת על הדלפק במטבח מהווה סיכון גבוהה כי הסיכוי חשיפה במינון פוטנציאל גבוה, אבל החומצה אותו, אם מסומן כראוי ונעל במעבדה לכימיה שרק אדם מיומן גישה, מהווה סיכון מינימלי. חשיפה "חשיפה" הוא שילוב של ריכוז של חומר בתווך כפול משך הזמן של הקשר. כך, למשל, לדלל חומצה גופרתית כי נתזי והוא שטף במהירות את מינון החשיפה היא נמוכה שרק עשוי להאדים את העור, חומצה גופרתית מרוכזת מותר לשבת על העור היא חשיפה במינון גבוה סביר להניח כי תגרום לכוויות חמורות. מנה "מנה" היא כמות של חומר מזין מערכת ביולוגית ניתן למדוד כמו מנה מערכתית, סך נלקח על ידי מערכת ביולוגית, או כסכום של איבר מסוים (, עור, ריאות, כבד, וכו ') . וכאן השקר שאלות בלתי פתורות ועוד. שאלות על Dosimetry עד עכשיו, חשיפה לאבק רעיל במינונים נמדדו במונחים של מסה ליחידת נפח, בדרך כלל מיליגרם למטר מעוקב. עם זאת, גם בריכוזים נמוכים מאוד של NSPs - אם טבעי, מקריים, או מהונדסים - באוויר לייצג מספר פנומנלי של חלקיקים, כידוע ממדידות של מזהמים ultrafine. חשיפת חולדות מעבדה ל -100 ננומטר חלקיקי דו תחמוצת טיטניום עוררה את אותה כמות של דלקת ריאות כמו מסה פי 10 יותר גדול (1-2.5 מיקרומטר) חלקיקים. למעשה, לפחות במקרים מסוימים, כמות דלקת נראה מתואם יותר שטח הפנים של החלקיקים NSPs מנוהל מאשר המסה שלהם. לפיכך, toxicologists כמה הם עכשיו תוהה אם שטח הפנים יהיה למדוד טוב יותר את המינון עבור NSPs מאשר מסה. עד החוקרים לדעת איזה סעיפים ביותר, חוקרים רבים מתחילים לציין גם בעיתונים שלהם. טוקסיקולוגיה מפתיע של חלקיקים גודל Matters גודל אולי עוד תוצאה ביולוגית מכרעת: היכן חלקיקים בסופו של דבר בגוף.
Date Added: Aug 16, 2006
Last Update: 6. October 2011 08:34
|