Efectos Ambientales de la Nanotecnología


Por el Dr. Priyanka Battacharya

El Dr. Priyanka Battachara, Nano-Biofísica y Laboratorio Suave de la Materia, Departamento de la Física y Astronomía, Universidad de Clemson.
Autor Correspondiente: pbhatta@g.clemson.edu

Índice

Introducción
Nanomaterials para el Tratamiento De Aguas
Aplicaciones Ambientales de Polímeros Dendríticos
Direcciones Futuras
Referencias

Introducción

Los avances Recientes en ciencia material y nanotecnología han dado lugar a una miríada de los progresos, que tienen llevar a las visitas para la investigación en los impactos de nanomaterials sobre el ambiente y la salud humana. Durante la última década, ha estado creciendo el preocupación por los impactos ambientales y de la salud potencialmente adversos de nanomaterials.1 Al mismo tiempo, la nanotecnología ha proporcionado a soluciones ambientales mejoradas, especialmente en el campo de la calidad del agua.2 Los problemas Ambientales son un mosaico complicado de los fenómenos múltiples que requieren análisis y soluciones multidimensionales. Como los físicos intentan entender las acciones recíprocas físicas fundamentales entre los nanomaterials y el ecosistema, y hemos desarrollado varios esquemas superficiales para hacer tan usando los principios y las técnicas de la física, de materiales, y de la química física. El enfoque de este artículo es las contribuciones dominantes que nuestro laboratorio ha hecho al campo del remedio del agua potable usando los nanomaterials.

Nanomaterials para el Tratamiento De Aguas

Por Todo El Mundo, 1,1 mil millones personas faltan el acceso a las suficientes cantidades de agua segura.3 Las fuentes Adecuadas de agua descontaminada con la alta producción en un bajo costo son un reto cada vez mayor en todo el mundo. Los métodos Actuales de la purificación del agua en uso amplio emplean el tratamiento químicamente intensivo que es relativamente costoso, dañino al ambiente, y no es adaptable al mundo no-industrializado. las tecnologías Nanomaterial-Basadas, los adsorbentes y los catalizadores podían crear la novela, ambientalmente soluciones benignas para el tratamiento de aguas. Hay tres aplicaciones principales donde los nanomaterials muestran promesa - el detectar y detección de agentes contaminadores, del tratamiento y del remedio de contaminantes, y finalmente, prevención de la contaminación. Los Nanomaterials también se están utilizando para aumentar procesos de la separación de membrana, llevando a mayor selectividad y a costos más bajos. Sin Embargo, las aplicaciones acertadas de estas tecnologías requieren el alto nivel de mando de la movilidad (NP) del nanoparticle, reactividad, e idealmente, especificidad para el contaminante del interés.

Los efectos ecológicos desconocidos, la estabilidad ambiental, violando las reglas propiedades, los límites de detección inferiores, los altos costos, y las preocupaciones por su regeneración y deposición ambiental limita las aplicaciones del gran escala de muchos nanomaterials de uso general para el tratamiento de aguas, tal como hierro, nanoparticles del dióxido de titanio, nanotubes del carbón y zeolitas cerovalentes nanos. Los Avances en química macromolecular tal como la síntesis de polímeros dendríticos han proporcionado a las grandes oportunidades para mejorar y desarrollar los procesos de filtración efectivos para que la purificación del agua elimine diversos solutos orgánicos y los aniones inorgánicos. Los polímeros Dendríticos que incluyen hyperbranched y los polímeros, los dendrons y los dendrimers del dendrigraft es altamente sintetizado, nanoscale se ramificaron las estructuras con un alto nivel de funciones superficiales, de monodispersity, de composición controlada, y de configuración que visualizan el comportamiento fisicoquímico interesante debido a su dimensión de una variable, talla y funciones múltiples.4

Aplicaciones Ambientales de Polímeros Dendríticos

Un polímero dendrítico se puede mirar como nanoparticle de ` suavemente', consistiendo en tres componentes principales - una base, células interiores de la ramificación, y una célula de la ramificación terminal. La talla de un polímero dendrítico es caracterizada por (G) de su generación del `', o número de ramificaciones que emanan de la base central (Cuadro 1). Dendrimers tiene una alta capacidad de recibimiento para los iones tóxicos del metal, los radionúclidos, los aniones inorgánicos, los solutos orgánicos y las hidrocarburos aromáticas policíclicas (PAHs).5,6 Por Otra Parte, la propiedad amphiphilic pH-relacionada de polímeros dendríticos permite que capturen diversa especie química en ambientes diversos tales como soluciones e interfaces acuosos y orgánicos del aceite-agua, y después release/versión estas especies químicas de una manera controlada cambiando el pH in situ sin tener que recurrir a la regeneración intensiva y costosa.


Cuadro 1. estructura Ejemplar de dendrimers del polyamidoamine de la generación 0 (G0) y de la generación 2 (G2) (PAMAM) con los grupos superficiales amino y del amidoethanol. Cortesía de Imagen de la Sigma Aldrich.

Las propiedades fisicoquímicas únicas siguientes de dendrimers los hacen determinado atractivos como materiales funcionales para el tratamiento de aguas.

1. Recibimiento de capacidad y de reciclado

Un alto nivel de adaptabilidad en la síntesis casi de los dendrimers del nanoscale del monodisperse (gamas de tallas entre 1-20 nanómetro) con la composición molecular bien definida, la talla y la dimensión de una variable, el functionalization variable, y las cavidades hidrofóbicas los permiten con el andamio flexible pero rígido. Dendrimers tiene viscosidades intrínsecas mucho más pequeñas que los polímeros lineales con la misma masa molar debido a su dimensión de una variable globular.4 También tienen una mucha superficie grande que partículas a granel del mismo Massachusetts. Así, a diferencia de las membranas de la osmosis (RO) reversa y del nanofiltration cuyas operaciones requieren las membranas de alta presión, dendrimer-aumentadas (UF) de la ultrafiltración operatorio en presiones más inferiores (kPa 200-700) y puede capturar los contaminantes inferiores y de molecularidad elevada del peso, a diferencia de las membranas sin modificar del UF que pueden quitar solamente kDa disuelto de las pastas orgánicas e inorgánicas of3. Por Otra Parte, se ha demostrado que los polímeros dendríticos pueden ser integrados en la existencia, los procesos comerciales de la separación de membrana del UF.7,8

En un estudio del prueba-de-concepto, nuestro grupo mostró que un dendrimer del trifunctional G4-tris PAMAM visualiza capacidad de recibimiento excepcional y selectiva hacia especie química importante de importancia ambiental, a saber - 64 de cobre catiónicos los iones (del Cu (II)) por dendrimer con la formación compleja de la transferencia de carga del ligand-a-metal (LMCT) en pH 10, 32 iones aniónicos (NO)3- del nitrato con acciones recíprocas electroestáticas en las moléculas del fenantreno del PAH del pH 2, y (PN) 10 con acciones recíprocas hidrofóbicas en pH 7 (Cuadro 2).9 Notable, cuando el pH fueron bajados a 2, PN y Cu (II) release/versión del interior del dendrimer mientras que no se release/versión3- NINGUNOS iones cuando el pH fue aumentado a 10.


Cuadro 2. (a) Estructura de una generación 1 polivinílica (amidoamina) - dendrimer (hidroximetílico) del amidomethane de los tris (Tris-dendrimer), el bloque hueco de la generación 4 Tris-dendrimer usado en el actual estudio. Rojo: oxígeno; Verde: amina secundaria; Azul: amina terciaria. (b) Esquema de la especie química absorbente del dendrimer en diverso pH.9

Además, hemos demostrado retiro eficiente del ácido húmico disuelto (HA) usando dendrimers de PAMAM.10 La HA es una molécula extremadamente compleja que consiste en varios grupos químicos aniónicos. El alto nivel de funciones superficiales en dendrimers de PAMAM permitió que se comportaran como “nanosponge” en adsorber tal especie molecular compleja. La Central a este método era formación compleja resultando de acciones recíprocas electroestáticas entre los dendrimers catiónicos y la HA aniónica en el pH neutral. El doble demostrado los dendrimers de PAMAM la capacidad de los adsorbentes poliméricos de uso general para la HA, neutralización de la carga fue alcanzado una vez. Sin Embargo, el cargar de dendrimers adicionales re-estabilizó y suspendió de nuevo los agregados vía la repulsión electroestática.

También desarrollamos un esquema óptico nuevo basado en la resonancia superficial del plasmón de un nanowire del oro (Au-NANOVATIO) para detectar selectivamente el Cu (II) en soluciones acuosas, hacia abajo al rango del nanómetro por dendrimers de PAMAM inmovilizado electroestático en el substrato Au-NANOVATIO.11 Tal límite de detección es el con mucho el más inferior y el más posible entre los esquemas analíticos de uso general para la detección del ión del metal.

Además, caracterizamos este la suavidad, ambientalmente nanomaterials benignos para atenuar nanoparticles descargados potencialmente dañinos del ambiente acuoso. Aquí los fullerenols fueron utilizados como nanomaterial modelo, y sus acciones recíprocas con dendrimers de dos diversos generaciones, G1 y G4 fueron estudiadas usando la espectrofotometría y los métodos termodinámicos. Específicamente, encontramos que cada fullerenol limitado con dos aminas primarias por dendrimer (G1 y G4) con la vinculación iónica, y la formación de agregados grandes debido a las acciones recíprocas del inter-atado facilitadas por la vinculación del hidrógeno y a las acciones recíprocas hidrofóbicas eran evidentes (el Cuadro 3). Al Parecer, tal formación del inter-atado puede ser controlada ajustando la relación de transformación molar del dendrimer al fullerenol. Además, la formación de ensamblajes del dendrimer-fullerenol en la capacidad de cargamento máxima era enérgico favorable y termodinámico espontáneo.12 Tales acciones recíprocas del inter-atado entre los complejos del dendrimer-fullerenol se juzgan deseables para atenuar la liberación accidental de nanomaterials en el ambiente; sin embargo deben ser disminuidas para la salida de la droga de los derivados del fullerene por un dendrimer - a la luz de su difusión en la circulación sanguínea y la absorción eventual de la célula. De Acuerdo con este estudio, recomendamos una relación de transformación del cargamento de G4/fullerenol de 0.005-0.02 para la salida de la droga (el rango debajo de la precipitación), y una relación de transformación del cargamento de G4/fullerenol de encima de 0,02 para el remedio ambiental. Además, para el nanomedicinal y las aplicaciones ambientales, la extensión de este estudio se puede prolongar al de polímeros y de nanoparticles ramificados/hyperbranched de la carga opuesta.


Cuadro 3. Ejemplo del uno mismo-ensamblaje de un dendrimer de G4-PAMAM (rojo) y de fullerenols (plata). Las aminas primarias del dendrimer se indican en blue.12

Tomados juntos, estos estudios de laboratorio arriba demostraron que los dendrimers de PAMAM activan más termodinámico un proceso espontáneo de la adsorción para la diversa especie química y los agentes contaminadores ambientales que otros procedimientos convencionales de la purificación del agua tales como RO, que requieren energía impulsar el proceso a la realización. Tales propiedades de los dendrimers de PAMAM deben apelar a las futuras generaciones de dispositivos del tratamiento de aguas.

2. Biocompatibility

la toxicidad Dendrimer-Relacionada incluso entonces se ha observado solamente para el G7 y más grande y, solamente como mínimo.13 Varios estudios en el uso de los dendrimers para la transfección de la DNA, portadores del agente del contraste del ión del metal para MRI, apuntaron la droga y los vehículos de salida terapéuticos del agente, y los inhibidores virales sugirieron que los polímeros hyperbranched y los dendrimers de PAMAM de G5 y abajo son no tóxicos y biodegradables.14,15 Por Otra Parte, los dendrimers no se van detrás de ninguna subproductos potencialmente dañina.

3. Degradability

Los dendrimers de PAMAM muestran la degradación mensurable solamente en el tercer año de almacenamiento en 5°C, y una vida útil de ~6-9 meses en la temperatura ambiente, sobre la base de la reacción de retro-Michael. Un curso de la vida tan largo asegura la estabilidad y la eficacia de los polímeros dendríticos para la práctica del tratamiento de aguas. Además, la adición de los bonos enzima-degradables (e.g., amidas en PAMAM) puede ser utilizada tales que las enzimas hidrolíticas intracelulares o extracelulares pueden romper los encadenamientos del polímero dentro de uno. Esta propiedad podía llegar a ser relevante sobre la absorción accidental de polímeros dendríticos durante el consumo de agua. Un tercer mecanismo para la degradación del dendrimer está por la hidrólisis del agua que actúa en bonos de éster en los polímeros. Tales mecanismos se pueden utilizar para analizar selectivamente los polímeros dendríticos asientan su uso en el tratamiento de aguas.

Así, las capacidades de recibimiento altas y versátiles, el rendimiento energético, el regenerability, la selectividad, el biocompatibility, y ambientalmente la naturaleza benigna hacen los polímeros dendríticos un nanomaterial deseable para las aplicaciones ambientales. Es por lo tanto nuestro esfuerzo explotar el comportamiento fisicoquímico de los polímeros dendríticos para el remedio ambiental.

Direcciones Futuras

Estamos desarrollando las estrategias para prolongar la extensión de los polímeros dendríticos para el remedio ambiental. Uno de nuestros estudios recientes exploró la capacidad de estos polímeros dendríticos de dispersar el aceite derramado,16 un peligro para el medio ambiente enorme asociado a la operación costera de la industria petrolera. Enérgico, el interior hidrofóbico de estos polímeros en el agua ambiente pH preve el espacio suficiente para que las moléculas hidrofóbicas del aceite dividan hacia adentro.

Mientras Que sobre el 70% de la superficie de tierra es revestido por el agua, sólo el cerca de 3% de él está disponible para el consumo humano. Incluso peor, en países en vías de desarrollo, los 80% de enfermedades son agua relacionada. Además de proporcionar a soluciones técnicas al reto staggering de proporcionar al agua potable limpia, la aceptación reguladora y pública a usar la nanotecnología para el tratamiento del agua potable debe ser establecida. Además, las evaluaciones del ciclo vital de los riesgos y de las ventajas de estos nanomaterials son crucial necesarias.


Referencias

  1. Colvin, V.L. Las consecuencias para el medio ambiente potenciales de nanomaterials dirigidos. Nacional. Biotechnol. 2003, 21, 1166-1170.
  2. Salvaje, N. y Diallo, M.S. Nanomaterials y purificación del agua: Oportunidades y retos. J. Nanopart. Res. 2005, 7, 331-342.
  3. Prentice, T. y Reinders, L.T. El parte 2007 de la salud del mundo: un futuro más seguro: fianza global de la salud pública en el siglo XXI. Organización Mundial de la Salud. 2007, 1-96.
  4. Frechet, J.M.J.; Tomalia, D.A. Dendrimers y Otros Polímeros de Dendrtitic. Serie de Wiley en Ciencia del Polímero; Wiley: Chichester, Inglaterra, 2001; págs. 648.
  5. Ottaviani, M.F.; Favuzza, P.; Bigazzi, M.; Turro, New Jersey; Jockusch, S.; Tomalia, D.A. Una investigación de TEM y del EPR del atascamiento competitivo de los iones del uranilo a los dendrimers y a los liposomas de Starburst: Uso Potencial de dendrimers como esponjas del ión del uranilo. Langmuir 2000, 16, 7368-7372.
  6. Manteca De Cerdo, M.; Kim, S.H.; Lin, S.; Bhattacharya, P.; KE, P.C.; Lamm, transferencia de energía de resonancia de M.H. Fluorescence entre el fenantreno y los dendrimers de PAMAM. Phys. Quím. Chem. Phys. 2010, 12, 9285-9291.
  7. Diallo, tratamiento De Aguas de M.S. por el dendrimer aumentó la filtración. Estados Unidos Patentan 2008, 11/182,314, 1-40.
  8. Halford, B. Dendrimers se ramifica fuera. Noticias 2005, 83, 30-36 de la Substancia Química y de la Ingeniería.
  9. Chen, P.; Yang, Y.; Bhattacharya, P.; Wang, P.; KE, P.C. Un tris-dendrimer para recibir especie química diversa. J. Phys. Quím. C 2011, 115, 12789-12796.
  10. Bhattacharya, P.; Conroy, N.; Rao, MAÑANA; Powell, B.; Ladner, D.A.; KE, dendrimer del P.C. PAMAM para atenuar foulant húmico, Adv del RSC. 2012, 2, 7997-8001.
  11. Bhattacharya, P.; Chen, P.; Spano, M.N.; Zhu, L.; KE, detección de P.C. Copper que utilizaba el dendrimer y el oro nanowire-indujo la resonancia superficial del plasmón. J. Appl. Phys. 2011, 109, 014911-1-6.
  12. Bhattacharya, P.; Kim, S.H.; Chen, P.; Chen, R.; Spuches, MAÑANA; Brown, J.M.; Lamm, M.H.; KE, P.C. Dendrimer-fullerenol suave-condensado nanoassembly. J. Phys. Quím. C 2012, 116, 15775-15781.
  13. Lee, C.C.; MacKay, J.A.; Frechet, J.M.J.; Szoka, dendrimers de F.C. Designing para las aplicaciones biológicas. Nacional. Biotech. 2005, 23, 1517-1526.
  14. Mortimer, M.; Kasemets, K.; Heinlaan, M.; Kurvet, I.; Kahru, análisis cinético de la inhibición de la bioluminiscencia del fischeri del Vibrión de la producción de A. High para el estudio de efectos tóxicos de nanoparticles. La Toxicología in vitro 2008, 22, 1412-1417.
  15. Espiga, M.X.; Redemann, C.T.; Szoka, salida In vitro del gen de F.C. por dendrimers degradados del polyamidoamine. Bioconjugate Quím. 1996, 7, 703-714.
  16. Geitner, N.K.; Bhattacharya, P.; Steele, M.; Ladner, D.A.; KE, acción recíproca dendrítica del polímero-hidrocarburo de P.C. Understanding para la dispersión del aceite. Adv del RSC. 2012, Artículo Anticipado (DOI: 10.1039/C2RA21602G).


Date Added: Sep 20, 2012 | Updated: Sep 21, 2012

Last Update: 21. September 2012 05:20

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit