나노 과학의 환경의 영향


박사에 의하여 Priyanka Battacharya

물리학의 Priyanka Battachara, Nano 생물물리학 및 연약한 사정 실험실, 부 및 천문학, Clemson 대학 박사.
대응 저자: pbhatta@g.clemson.edu

목차

소개
물 처리를 위한 Nanomaterials
모수석 중합체의 환경 응용
진로
참고

소개

재료 과학 및 나노 과학에 있는 최근 어드밴스는 nanomaterials의 충격으로 환경 및 인류 건강에 대한 연구 요청으로 이끌어 내는 것을 가지고 있는 발달의 무수를 초래했습니다. 지난 십년간, 거기 nanomaterials의 잠재적으로 불리한 환경 그리고 건강 충격에 관심사를 증가하고 있습니다.1 동시에, 나노 과학은 수질의 분야에서 향상한 환경 해결책을, 특히 제공했습니다.2 환경 문제는 다차원 분석 및 해결책을 요구하는 다중 현상의 복잡한 모자이크입니다. 물리학자가 nanomaterials와 생태계 사이 기본적인 물리적인 상호 작용을 이해하는 것을 시도하는 때 우리는 물리학, 물자 및 물리 화학의 원리 그리고 기술을 사용하여, 와 이렇게 하기를 위한 몇몇 손쉬운 계획을 개발했습니다. 이 약품의 초점은 우리의 실험실이 nanomaterials를 사용하여 식용수 개선의 필드에 한 중요한 기여금입니다.

물 처리를 위한 Nanomaterials

세계전반, 11억명 사람들은 안전한 근해 충분한 양에 접근이 결여됩니다.3 저가에 높은 처리량을 가진 정화한 근해의 적당한 공급은 전세계 성장하고 있는 도전입니다. 넓은 사용중에 있는 현재 급수정화 방법은 환경에 상대적으로 비싸고, 유해하, 비 공업화한 세계에 적응할 수 있지 않는 화학적으로 집중적인 처리를 채택합니다. Nanomaterial 기지를 둔 기술, 흡착제 및 촉매는 소설, 환경에 물 처리를 위한 양성 해결책을 만들 수 있었습니다. nanomaterials가 약속을 -, 및 마지막으로 오염물질의 오염물질, 처리 및 개선의 느끼고는 및 탐지, 오염의 예방 보여주는 3개 주요 응용 프로그램이 있습니다. Nanomaterials는 또한 막분리 프로세스를 강화하기 위하여 이용되, 더 중대한 선택성 및 저가에 지도하. 그러나, 이 기술의 성공적인 응용은 관심사의 오염물질을 위해 nanoparticle 기동성 (NP), 반응성의 통제의 고차를, 이상적으로, 특이성 요구합니다.

속성을, 그들의 재생 및 환경 공술서에 낮은 탐지 한계 더럽히는, 불명한 생태학적인 효력, 환경 안정성은 높은 비용 및 관심사 nano 영 valent 철 이산화티탄 nanoparticles, 탄소 nanotubes 및 비석과 같은 물 처리를 위한 많은 통용되는 nanomaterials의 대규모 응용을 제한합니다. 모수석 중합체의 종합과 같은 macromolecular 화학에 있는 어드밴스는 급수정화를 위한 효과적인 다른 유기 용질 및 무기 음이온을 삭제하기 위하여 여과 공정 향상하고 개발하기 중대한 기회를 제공했습니다. hyperbranched 포함하고 dendrigraft가 중합체, dendrons 및 dendrimers 높게 합성 인 모수석 중합체, nanoscale는 구조물 그들의 모양, 규모 및 다중 기능 때문에 흥미로운 물리 화학적인 행동을 디스플레이하는 지상 기능, monodispersity, 통제되는 구성 및 아키텍쳐의 고차를 가진 분기했습니다.4

모수석 중합체의 환경 응용

모수석 중합체는 `로 3개 주요 콤포넌트 - 코어, 실내 분지 세포 및 말단 가지 세포로 이루어져 있는 nanoparticle' 부드럽게 간주될 수 있습니다. 모수석 중합체의 규모는 그것의 ` 발생' (G), 또는 핵심 (숫자 1)에서 유출하는 분지의 수이 특징입니다. Dendrimers에는 유독한 금속 이온, 방사성 핵종, 무기 음이온, 유기 용질 및 다환 방향족 탄화수소를 위한 높은 접대 수용량이 있습니다 (PAHs).5,6 더욱, 모수석 중합체의 PH 의존하는 amphiphilic 속성은 수성과 유기 해결책 및 기름 근해 공용영역과 같은 다양한 환경에 있는 각종 화학 종을 붙잡는 주고 PH를 제자리의 바꾸어서 집중 적이고 및 비싼 재생에 의지할 필요없이 그 후에 이 화학 종을 통제된 방식으로 풀어 놓습니다.


숫자 1. 아미노와 amidoethanol 지상 단과 가진 세대 0 (G0)와 세대 2 (G2) polyamidoamine (PAMAM) dendrimers의 본보기 구조물. 시그마 Aldrich의 심상 의례.

그(것)들이 dendrimers의 뒤에 오는 유일한 물리 화학적인 속성에 의하여 물 처리를 위한 기능적인 물자로 특히 매력에게 합니다.

1. 수용량과 recyclability 접대

거의 분명한 분자 구성을 가진 monodisperse nanoscale (규모는 1-20 nm 사이에서 구역 수색합니다) dendrimers의 종합에 있는 융통성의 고차, 규모 및 모양, 변하기 쉬운 functionalization 및 소수성 구멍은 유연한 그러나 경직되어 있는 비계에 그(것)들을 줍니다. Dendrimers에는 그들의 공 모양 모양 때문에 동일 어금니 질량을 가진 선형 중합체 보다는 매우 더 작은 본질 점성이 있습니다.4 그(것)들에는 또한 동일 질량의 대량 입자 보다는 다량 큰 표면이 있습니다. 따라서, 그의 작동이 고압의 (RO) 요구하는 역삼투 및 nanofiltration 막과는 다른, dendrimer 강화한 초여과 장치 (UF) 막을 저압 (200-700 kPa)로 작전하고 단지 녹은 유기와 무기 화합물 of3 kDa만 제거할 수 있는 변경되지 않은 UF 막과는 다른 낮은것과 고분자 중량 둘 다 오염물질을, 붙잡을 수 있습니다. 더욱 모수석 중합체가 존재로 통합 일 수 있다는 것을, 상업적인 UF 막분리 프로세스 설명되었습니다.7,8

증거 의 개념 연구 결과에서는, 우리의 단은 trifunctional G4-tris PAMAM dendrimer가 환경 관련성의 중요한 화학 종으로 특별하은 선택적인 접대 수용량을 디스플레이하다, 즉 - 64 양이온 구리를 보여주었습니다 (PH 10 의 PH 7 (숫자 2)에 소수성 상호 작용을 통해 PH 2 및 10 PAH 페난트렌 분자에 정전기 상호 작용 (NO)3-을 통해 32의 음이온 질산 이온에 ligand 에 금속 책임 이동 (LMCT) (PN) 복잡한 대형을 통해 dendrimer 당 Cu (II)) 이온.9 PH가 10.에 올려질 때 아무 이온도 풀어 놓이지 않는 동안 PH, 낮출 때 현저하게, PN 둘 다 및 Cu3- 2에 (II)는 dendrimer 내부에서 풀어 놓였습니다.


많은 발생 1의 숫자 2. (a) 구조물 (amidoamine) - tris (hydroxymethyl) amidomethane dendrimer (Tris-dendrimer), 존재하는 연구 결과에서 사용되는 발생 4 Tris-dendrimer의 빌딩 블록. 공산분자: 산소; 녹색: 이차 아민; 파랑: 제3 아민. (b) 다른 PH.에 dendrimer 흡수하는 화학 종의 계획.9

추가적으로, 우리는 PAMAM dendrimers를 사용하여 녹은 humic 산의 (HA) 능률적인 제거를 설명했습니다.10 헬기공격은 몇몇 음이온 화학 단으로 이루어져 있는 극단적으로 복잡한 분자입니다. PAMAM dendrimers에 지상 기능의 고차는 그 같은 복잡한 분자 종을 흡착시키기에서 "nanosponge로" 작동하는 주었습니다. 이 방법에 본부는 복잡한 대형이어 중립 PH.에 양이온 dendrimers와 음이온 헬기공격 사이 정전기 상호 작용에서 유래하. PAMAM dendrimers에 의하여 설명된 두 배는 헬기공격 의 한 번 책임 중립화를 위한 통용되는 중합 흡착제의 수용량 도달되었습니다. 그러나, 추가 dendrimers의 적재는 정전기 반발작용을 통해 골재를 재 안정시키고 재 중단했습니다.

우리는 또한 선택적으로 Cu를 검출하기 위하여 금 nanowire (Au NW)의 지상 플라스몬 공명에 근거를 둔 비발한 광학적인 계획을 개발했습니다 (II) 정전기로 Au NW 기질에 고정되는 PAMAM dendrimers에 의하여 nM 범위에 수성 해결책에 있는, 아래로.11 그런 탐지 한계는 금속 이온 탐지를 위한 통용되는 분석적인 계획의 사이에 훨씬 가장 낮고 그리고 가장 가능합니다.

게다가, 부드러움, 환경에 수성 환경에서 잠재적으로 해로운 출력한 nanoparticles 감소를 위한 양성 nanomaterials가 우리에 의하여 이 성격을 나타냈습니다. 여기에서 fullerenols는 모형 nanomaterial로 이용되고, 2 다른 발생, G1 및 G4의 dendrimers와의 그들의 상호 작용은 분광광도학과 열역학 방법을 사용하여 공부되었습니다. 특히, 우리는 이오니아 접합을 통해 dendrimer 당 2개의 1 차적인 아민으로 (G1와 G4 둘 다) 바운스된 각 fullerenol, 그리고 수소 접합에 의해 촉진된 간 다발 상호 작용과 소수성 상호 작용 때문에 큰 골재의 대형이 분명했다는 것을 것을을 발견했습니다 (숫자 3). 외관상으로는, 그 같은 간 다발 대형은 fullerenol에 dendrimer의 어금니 비율을 맞추 통제될 수 있습니다. 추가적으로, dendrimer-fullerenol 집합 최대로 적재 능력의 대형은 정력적으로 호의를 베풀었습니다 열역학으로.12 dendrimer-fullerenol 복합물 사이 그 같은 간 다발 상호 작용은 환경에 있는 nanomaterials의 우발적 배출 감소를 위해 바람직한 간주됩니다; 그러나 그(것)들은 - 혈류량 및 최후 세포 통풍관에 있는 그들의 유포에 비추어 - dendrimer에 의해 fullerene 유래물의 약 납품을 위해 극소화되어야 합니다. 이 연구 결과에 바탕을 두어, 우리는 약 납품 (강수의 밑에 범위)를 위해 0.005-0.02의 G4/fullerenol 선적 비율, 및 환경 개선을 위해 0.02 이상의 G4/fullerenol 선적 비율을 추천합니다. 게다가, nanomedicinal와 환경 응용 둘 다를 위해, 이 연구 결과의 범위는 반대 책임의 분기한/hyperbranched 중합체 그리고 nanoparticles의 그것까지 미칠 수 있습니다.


(빨간) G4-PAMAM dendrimer 및 fullerenols (은)의 각자 집합의 숫자 3. 삽화. dendrimer의 1 차적인 아민은 blue.12에서 표시됩니다

함께 취해, 이들은 설명하는의 위 실험실 가늠자 PAMAM dendrimers가 각종 화학 종 및 환경 오염물질을 위한 에너지가 완료에 프로세스를 몰 것을 요구하는 RO와 같은 그밖 전통적인 급수정화 절차 보다는 자연스러운 흡착 프로세스를 열역학으로 가능하게 한다는 것을 공부합니다. PAMAM dendrimers의 그 같은 속성은 물 처리 장치의 미래 발생에 호소해야 합니다.

2. Biocompatibility

Dendrimer 관련된 독성은 G7를 위해서만 더 큰, 단지 최소로 그 때 조차 관찰되고.13 DNA transfection를 위한 dendrimers, MRI를 위한 금속 이온 대조 에이전트 운반대의 사용에 몇몇 연구 결과는, 약과 치료 에이전트 납품 차량을 표적으로 하고, 바이러스성 억제물은 G5의 hyperbranched 중합체 그리고 PAMAM dendrimers 건의하고 이하에 비독성과 생물 분해성 입니다.14,15 더욱, dendrimers는 어떤 잠재적으로 해로운 부산물도의 뒤에 떠나지 않습니다.

3. Degradability

PAMAM dendrimers는 5°C에 저장의 세번째 해에서서만 강직, 및 주위 온도에 retro 마이클 반응에 근거하여 ~6-9 달의 재고 유효 기간을, 보여줍니다. 그 같은 긴 일생은 물 처리의 사례를 위한 모수석 중합체의 안정성 그리고 효과를 지킵니다. 게다가, 효소 분해 가능한 유대 (PAMAM에 있는 예를들면, 아미드)의 추가는 세포내 extracellular 가수분해 효소가 하나 내의 중합체 사슬을 끊을 수 있다 그 같은이라고 이용될 수 있습니다. 이 속성은 근해 소비 도중 모수석 중합체의 우발적인 통풍관에 관련되게 될 수 있었습니다. dendrimer 강직을 위한 제 3 의 기계장치는 중합체에 있는 에스테르 유대에 작동하는 근해 가수분해에 의해 입니다. 그 같은 기계장치는 배치합니다 물 처리에 있는 그들 사용법을 선택적으로 모수석 중합체를 나누기 위하여 이용될 수 있습니다.

따라서, 높고 다재다능한 접대 수용량, 에너지 효율, regenerability, 선택성, biocompatibility 및 환경에 양성 성격은 모수석 중합체에게 환경 응용을 위한 바람직한 nanomaterial를 만듭니다. 그것은 그러므로 환경 개선을 위한 모수석 중합체의 물리 화학적인 행동을 이용하는 우리의 노력 입니다.

진로

우리는 환경 개선을 위한 모수석 중합체의 범위 확장을 위한 전략을 개발하고 있습니다. 우리의 최근 연구 결과 중 하나는 유출한 기름, 석유 산업의 근해 작동과 관련되었던16 거대한 환경 위험을 이산하는 이 모수석 중합체의 기능을 탐구했습니다. 정력적으로, 주위 근해 PH에 이 중합체의 소수성 내부는 소수성 기름 분자를 위한 충분한 공간을 안으로 분할하기 위하여 제공합니다.

지구의 표면의 70% 이상 근해에 의해 엄호되는 동안, 그것의 대략 3%만 인간적인 소비를 위해 유효하다. , 개발도상국에서 더 나쁜 조차, 병의 80%는 관련된 근해입니다. 식용수 처리를 위해 나노 과학 사용 청결한 식용수, 규정하는 공개 채용은 제공의 압도적인 도전에 기술적인 해결책 제공 이외에 설치되어야 합니다. 추가적으로, 이 nanomaterials의 위험 그리고 이득의 수명주기 평가는 결정적으로 필요합니다.


참고

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

Last Update: 21. September 2012 05:19

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