Related Offers

Milieu Gevolgen van Nanotechnologie


Door Dr. Priyanka Battacharya

Dr. Priyanka Battachara, nano-Biofysica en het Zachte Laboratorium van de Kwestie, Afdeling van Fysica en Astronomie, Universiteit Clemson.
Overeenkomstige auteur: pbhatta@g.clemson.edu

Inhoudstafel

Inleiding
Nanomaterials voor de Behandeling van het Water
Milieu Toepassingen van Vertakte Polymeren
Toekomstige Richtingen
Verwijzingen

Inleiding

De Recente vooruitgang in materiële wetenschap en nanotechnologie heeft tot een horde ontwikkelingen geleid, die hebben leiden tot verzoeken onderzoek naar de effecten van nanomaterials op het milieu en de volksgezondheid. Tijdens het afgelopen decennium, is er groeiende zorg over de potentieel ongunstige milieu en gezondheidseffecten van nanomaterials geweest.1 Tezelfdertijd heeft de nanotechnologie betere milieuoplossingen, vooral op het gebied van waterkwaliteit verstrekt.2 De Milieu problemen zijn een ingewikkeld mozaïek van veelvoudige fenomenen die multidimensionele analyse en oplossingen vereisen. Wij als fysici proberen om de fundamentele fysieke interactie tussen nanomaterials en het ecosysteem te begrijpen, en verscheidene vlotte regelingen voor het doen van dit het gebruiken van de principes en de technieken van fysica, materialen, en fysieke chemie ontwikkeld. De nadruk van dit artikel is de belangrijkste bijdragen ons laboratorium aan het gebied van drinkwatersanering gebruikend nanomaterials heeft geleverd.

Nanomaterials voor de Behandeling van het Water

Wereldwijd, hebben 1.1 miljard mensen toegang tot voldoende hoeveelheden veilig water niet.3 De Adequate levering van ontsmet water met hoge productie aan lage kosten is een groeiende uitdaging rond de wereld. De Huidige methodes van de waterreiniging in breed gebruik wenden chemisch intensieve behandeling aan die vrij duur is, schadelijk voor het milieu, en niet aanpasbaar aan de niet-geïndustrialiseerde wereld is. De op nanomaterial-Gebaseerde technologieën, de adsorbentia en de katalysators konden tot nieuwe, ecologisch goedaardige oplossingen voor waterbehandeling leiden. Er zijn drie belangrijke toepassingen waar nanomaterials belofte - het ontdekken en opsporing van verontreinigende stoffen, behandeling en sanering van verontreinigende stoffen, en tenslotte, preventie van verontreiniging tonen. Nanomaterials wordt ook gebruikt om de processen van de membraanscheiding te verbeteren, die tot grotere selectiviteit en lagere kosten leiden. Nochtans, vereisen de succesvolle toepassingen van deze technologieën hoge graad van controle van nanoparticle (NP)mobiliteit, reactiviteit, en ideaal gezien, specificiteit voor de verontreinigende stof van belang.

De onbekende ecologische gevolgen, milieustabiliteit, die eigenschappen, lage opsporingsgrenzen, hoge kosten, en zorgen over hun regeneratie en milieudeposito bevuilen beperkt de grote schaaltoepassingen van vele algemeen gebruikte nanomaterials voor waterbehandeling, zoals nano nul valent ijzer, titaniumdioxyde nanoparticles, koolstof nanotubes en zeoliet. De Vooruitgang in macromolecular chemie zoals de synthese van vertakte polymeren heeft grote mogelijkheden om geboden efficiënte filtratieprocessen te verbeteren en te ontwikkelen voor waterreiniging om verschillende organische opgeloste stoffen en anorganische anionen te elimineren. De Vertakte polymeren die omvatten hyperbranched en dendrigraft zijn de polymeren, dendrons en dendrimers hoogst synthetisch, nanoscale vertakte zich structuren met een hoge graad van oppervlaktefunctionaliteit, monodispersity, gecontroleerde samenstelling, en architectuur die interessant fysico-chemisch gedrag toe te schrijven aan hun vorm, grootte en veelvoudige functionaliteit tonen.4

Milieu Toepassingen van Vertakte Polymeren

Een vertakt polymeer kan als zachte' nanoparticle worden beschouwd ` die, uit drie belangrijke componenten bestaat - een kern, binnenlandse takcellen, en een eindtakcel. De grootte van een vertakt polymeer wordt gekenmerkt door zijn ` generatie' (G), of aantal takken die van de centrale kern afkomstig zijn (Figuur 1). Dendrimers heeft een hoge het ontvangen capaciteit voor giftige metaalionen, radionucleïden, anorganische anionen, organische opgeloste stoffen en polycyclic aromatische koolwaterstoffen (PAHs).5,6 Voorts staat het PH-afhankelijke amphiphilic bezit van vertakte polymeren hen toe om diverse chemische species in diverse milieu's zoals waterige en organische oplossingen en olie-water interfaces te vangen, en dan deze chemische species op een gecontroleerde manier vrij te geven door pH in situ te veranderen zonder het moeten tot intensieve en dure regeneratie zijn toevlucht nemen.


Figuur 1. Voorbeeldige structuur van generatie 0 (G0) en generatie 2 (G2) polyamidoamine (PAMAM) dendrimers met de groepen van de amino en amidoethanoloppervlakte. De hoffelijkheid van het Beeld van Sigma Aldrich.

De volgende unieke fysico-chemische eigenschappen van dendrimers maken hen bijzonder als functionele materialen voor waterbehandeling aantrekkelijk.

1. Het Ontvangen capaciteit en recyclability

Een hoge graad van flexibiliteit in de synthese van bijna monodisperse nanoscale (groottewaaiers tussen 1-20 NM) dendrimers met duidelijk omlijnde moleculaire samenstelling, de grootte en de vorm, veranderlijke functionalization, en hydrophobic holten veroorloven zich hen met flexibele maar stijve steiger. Dendrimers heeft veel kleinere intrinsieke viscositeit dan lineaire polymeren met de zelfde maalmassa wegens hun bolvormige vorm.4 Zij hebben ook een veel grote oppervlakte dan bulkdeeltjes van de zelfde massa. Aldus, in tegenstelling tot omgekeerde osmose (RO) en nanofiltrationmembranen de waarvan verrichtingen hoge druk vereisen, werken de dendrimer-verbeterde (UF) ultrafiltratiemembranen bij lagere druk (kPa 200-700) en kunnen zowel laag als hoogte vangen - moleculegewichtverontreinigende stoffen, in tegenstelling tot ongewijzigde membranen UF die opgeloste organische en anorganische samenstellingenof3 kDa kunnen slechts verwijderen. Voorts heeft men aangetoond dat de vertakte polymeren in de bestaande, commerciële UF processen van de membraanscheiding kunnen worden geïntegreerd.7,8

In een bewijs-van-concept studie, toonde onze groep aan dat een trifunctionalG4-tris dendrimer vertoningen PAMAM uitzonderlijke en selectieve het ontvangen capaciteit naar belangrijke chemische species van milieurelevantie, namelijk - koper 64 van kationen (Cu (II)) de ionen per dendrimer door ligand-aan-metaallast brengen (LMCT) complexe vorming bij pH 10, 32 anionische nitraat (NO)3-ionen door elektrostatische interactie bij pH 2, en 10 PAH phenanthrene (PN) molecules over door hydrophobic interactie bij pH 7 (Figuur 2).9 Opmerkelijk, toen pH aan 2 werd verminderd, zowel werden PN als Cu (II) vrijgegeven van het dendrimerbinnenland terwijl GEEN3- ionen werden vrijgegeven toen pH aan 10 werd opgeheven.


Figuur 2. (a) Structuur van een generatie 1 poly (amidoamine) - (hydroxymethyl) tris amidomethane dendrimer (Tris -tris-dendrimer), de bouwsteen van generatie 4 Tris -tris-dendrimer die in de huidige studie wordt gebruikt. Rood: zuurstof; Groen: secundaire amine; Blauw: tertiaire amine. (b) Regeling van dendrimer die chemische species absorbeert bij verschillend pH.9

Bovendien hebben wij efficiënte verwijdering van opgelost humusachtig zuur gebruikend (HA) dendrimers PAMAM aangetoond.10 HA is een uiterst complexe molecule die uit verscheidene anionische chemische groepen bestaat. De hoge graad van oppervlaktefunctionaliteit op dendrimers PAMAM stond hen toe om zich als „nanosponge“ te gedragen in het adsorberen van dergelijke complexe moleculaire species. Centraal aan deze methode bedroeg complexe vorming als gevolg van elektrostatische interactie tussen dendrimers van kationen en anionisch HA neutraal pH. Het dendrimers aangetoonde dubbel PAMAM de capaciteit algemeen gebruikte polymere adsorbentia voor HA, zodra de lastenneutralisatie werd bereikt. Nochtans, het laden van extra dendrimers re-gestabiliseerd en opnieuw uitgesteld de complexen via elektrostatische weerzin.

Wij ontwikkelden ook een nieuwe optische regeling die op de oppervlakteplasmon resonantie van gouden wordt gebaseerd nanowire (Au-NW) Cu (II) in oplossingen in water, onderaan aan de NMwaaier door PAMAM dendrimers selectief te ontdekken die elektrostatisch op het substraat Au-NW wordt geïmmobiliseerd.11 Zulk een opsporingsgrens is het laagst en veruit het uitvoerbaarst onder algemeen gebruikte analytische regelingen voor metaal ionenopsporing.

Voorts kenmerkten wij deze zachte, ecologisch goedaardige nanomaterials voor het verlichten van potentieel schadelijk gelost nanoparticles van het waterige milieu. Hier fullerenols werden gebruikt als model nanomaterial, en hun interactie met dendrimers van twee verschillende generaties, G1 en G4 werden bestudeerd gebruikend spectrofotometrie en thermodynamische methodes. Specifiek, vonden wij dat elke fullerenol verbindend met twee primaire aminen per dendrimer (zowel G1 als G4) door het Ionische plakken, en vorming van grote complexen toe te schrijven aan inter-clusterinteractie die door waterstof te plakken worden vergemakkelijkt en hydrophobic interactie duidelijk waren (Figuur 3). Blijkbaar, kan dergelijke inter-clustervorming worden gecontroleerd door de maalverhouding van dendrimer aan fullerenol aan te passen. Bovendien was de vorming van dendrimer-fullerenolassemblage bij maximumladingscapaciteit energiek gunstig en thermodynamisch spontaan.12 Dergelijke inter-clusterinteractie tussen dendrimer-fullerenolcomplexen worden geacht wenselijk voor het verlichten van de toevallige versie van nanomaterials in het milieu; nochtans zouden zij voor de druglevering van fullerenederivaten door een dendrimer - gezien hun verspreiding in de bloedsomloop en het uiteindelijke celbegrijpen moeten worden geminimaliseerd. Gebaseerd op deze studie, adviseren wij een G4/fullerenol ladingsverhouding van 0.005-0.02 voor druglevering (de waaier onder precipitatie), en een G4/fullerenol ladingsverhouding van hierboven 0.02 voor milieusanering. Voorts voor zowel nanomedicinal als milieutoepassingen, kan de omvang van deze studie tot dat van vertakt worden uitgebreid/hyperbranched polymeren en nanoparticles van tegenovergestelde last.


Figuur 3. Illustratie van de zelf-assemblage van een g4-PAMAM dendrimer (rood) en fullerenols (zilver). De primaire aminen van dendrimer zijn vermeld in blue.12

Samen Genomen, toonden deze laboratoriumstudies hierboven aan dat dendrimers PAMAM meer thermodynamisch een spontaan adsorptieproces voor diverse chemische species en milieuverontreinigende stoffen dan andere conventionele procedures van de waterreiniging zoals RO toelaten, die energie vereisen om het proces aan voltooiing aan te sturen. Dergelijke eigenschappen van dendrimers PAMAM zouden op toekomstige generaties van de apparaten van de waterbehandeling moeten een beroep doen.

2. Biocompatibility

de op dendrimer Betrekking Hebbende giftigheid is waargenomen slechts voor G7 en groter en zelfs toen, slechts minimaal.13 Verscheidene studies over het gebruik van dendrimers voor de transfectie van DNA, de agentencarriers van het metaal ionencontrast voor MRI, richtten drug en de therapeutische voertuigen van de agentenlevering, en de virale inhibitors stelden voor die polymeren en dendrimers PAMAM van G5 hyperbranched en hieronder niet-toxisch en biologisch afbreekbaar zijn.14,15 Voorts gaan dendrimers niet achter enige potentieel schadelijke bijproducten weg.

3. Degradability

Dendrimers PAMAM tonen meetbare degradatie slechts in het derde jaar van opslag bij 5°C, en een houdbaarheidsperiode van ~6-9 maanden bij omgevingstemperatuur, die bij de reactie retro-Michael wordt gebaseerd. Zulk een lange leven verzekert de stabiliteit en de doeltreffendheid van vertakte polymeren voor de praktijk van waterbehandeling. Voorts kan de toevoeging van enzym-chemisch afbreekbare banden (b.v., amiden in PAMAM) worden gebruikt dusdanig dat intracellular of extracellulaire hydrolytische enzymen de polymeerkettingen binnen kunnen breken. Dit bezit relevant kon worden op toevallig begrijpen van vertakte polymeren tijdens waterconsumptie. Een derde mechanisme voor dendrimerdegradatie is door waterhydrolyse handelend op esterbanden in de polymeren. Dergelijke mechanismen kunnen worden gebruikt om vertakte polymeren selectief op te splitsen posten hun gebruik in waterbehandeling.

Aldus, maken de hoge en veelzijdige het ontvangen capaciteiten, de energieefficiency, regenerability, de selectiviteit, biocompatibility, en de ecologisch goedaardige aard vertakte polymeren wenselijke voor milieutoepassingen nanomaterial. Het is daarom onze inspanning om het fysico-chemische gedrag van vertakte polymeren voor milieusanering te exploiteren.

Toekomstige Richtingen

Wij ontwikkelen strategieën om het werkingsgebied van vertakte polymeren voor milieusanering uit te breiden. Één van onze recente studies onderzocht de capaciteit van deze vertakte polymeren om gemorste olie, een16 reusachtig milieugevaar te verspreiden verbonden aan de zeeverrichting van de aardolieindustrie. Energiek, het hydrophobic binnenland van deze polymeren bij omringend water pH bewegingsruimte voor hydrophobic oliemolecules voorziet binnen te verdelen.

Terwijl meer dan 70% van de oppervlakte van de aarde door water wordt omvat, is slechts ongeveer 3% van het beschikbaar voor menselijke consumptie. Nog slechter, in ontwikkelingslanden, zijn 80% van ziekten verwant water. Naast het verstrekken van technische oplossingen aan de wankelende uitdaging van het verstrekken van schoon drinkwater, moet de regelgevende en openbare goedkeuring aan het gebruiken van nanotechnologie voor drinkwaterbehandeling worden gevestigd. Bovendien zijn de beoordelingen van de het levenscyclus van de risico's en de voordelen van deze nanomaterials cruciaal noodzakelijk.


Verwijzingen

  1. Colvin, V.L. Het potentiële milieueffect van gebouwde nanomaterials. Nationaal. Biotechnol. 2003, 21, 1166-1170.
  2. Wilde, N. en Diallo, M.S. Nanomaterials en waterreiniging: Kansen en uitdagingen. J. Nanopart. Onderzoek. 2005, 7, 331-342.
  3. Prentice, T. en Reinders, L.T. Rapport 2007 van de wereldgezondheid: een veiligere toekomst: globale volksgezondheidsveiligheid in de 21ste eeuw. Wereldgezondheidsorganisatie. 2007, 1-96.
  4. Frechet, J.M.J.; Tomalia, D.A. Dendrimers en Andere Polymeren Dendrtitic. De Reeks van Wiley in de Wetenschap van het Polymeer; Wiley: Chichester, Engeland, 2001; blz. 648.
  5. Ottaviani, M.F.; Favuzza, P.; Bigazzi, M.; Turro, N.J.; Jockusch, S.; Tomalia, D.A. Een onderzoek van TEM en EPR van de concurrerende band van uranylionen aan dendrimers Starburst en liposomes: Potentieel gebruik van dendrimers als uranyl ionensponsen. Langmuir 2000, 16, 7368-7372.
  6. Reuzel, M.; Kim, S.H.; Lin, S.; Bhattacharya, P.; KE, PC.; Lamm, M.H. de resonantie-energieoverdracht van de Fluorescentie tussen phenanthrene en dendrimers PAMAM. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 9285-9291.
  7. Diallo, M.S. de behandeling van het Water door dendrimer verbeterde filtratie. Verenigde Staten Patenteren 2008, 11/182.314, 1-40.
  8. Halford, de tak van B. Dendrimers uit. Het Nieuws 2005, 83, 30-36 van het Chemische Product en van de Techniek.
  9. Chen, P.; Yang, Y.; Bhattacharya, P.; Wang, P.; KE, PC. Een tris-dendrimer voor het ontvangen diverse chemische species. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 12789-12796.
  10. Bhattacharya, P.; Conroy, N.; Rao, A.M.; Powell, B.; Ladner, D.A.; KE, PC. PAMAM dendrimer voor het verlichten humusachtige foulant, RSC Adv. 2012, 2, 7997-8001.
  11. Bhattacharya, P.; Chen, P.; Spano, M.N.; Zhu, L.; KE, PC. De opsporing van het Koper dendrimer en goud nanowire-veroorzaakte oppervlakteplasmon resonantie die gebruiken. J. Appl. Phys. 2011, 109, 014911-1-6.
  12. Bhattacharya, P.; Kim, S.H.; Chen, P.; Chen, R.; Spuches, A.M.; Bruin, J.M.; Lamm, M.H.; KE, PC. Nanoassembly zacht-gecondenseerde dendrimer-Fullerenol. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 15775-15781.
  13. Lee, C.C.; MacKay, J.A.; Frechet, J.M.J.; Szoka, F.C. Ontwerpend dendrimers voor biologische toepassingen. Nationaal. Biotech. 2005, 23, 1517-1526.
  14. Mortimer, M.; Kasemets, K.; Heinlaan, M.; Kurvet, I.; Kahru, High de productie kinetische Vibrio van A. de remmingsanalyse van de fischeribioluminescentie voor studie van giftige gevolgen van nanoparticles. Het Toxicologie in vitro 2008, 22, 1412-1417.
  15. Tang, M.X.; Redemann, C.T.; Szoka, F.C. genlevering In vitro door gedegradeerde polyamidoaminedendrimers. Bioconjugate Chem. 1996, 7, 703-714.
  16. Geitner, N.K.; Bhattacharya, P.; Steele, M.; Ladner, D.A.; KE, PC. Het Begrip van vertakte polymeer-koolwaterstof interactie voor olieverspreiding. RSC Adv. 2012, het Artikel van de Vooruitgang (DOI: 10.1039/C2RA21602G).


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

Last Update: 21. September 2012 05:18

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