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Efeitos Ambientais da Nanotecnologia


Pelo Dr. Priyanka Battacharya

Dr. Priyanka Battachara, Nano-Biofísica e Laboratório Macio da Matéria, Departamento de Física e Astronomia, Universidade de Clemson.
Autor Correspondente: pbhatta@g.clemson.edu

Índice

Introdução
Nanomaterials para o Tratamento da Água
Aplicações Ambientais de Polímeros Dendrítico
Sentidos Futuros
Referências

Introdução

Os avanços Recentes na ciência material e na nanotecnologia causaram uma miríade das revelações, que têm conduzir aos atendimentos para a pesquisa nos impactos dos nanomaterials sobre o ambiente e a saúde humana. Ao longo da última década, tem crescido o interesse sobre os impactos potencial adversos ambientais e da saúde dos nanomaterials.1 Ao mesmo tempo, a nanotecnologia forneceu soluções ambientais melhoradas, especialmente no campo da qualidade de água.2 Os problemas Ambientais são um mosaico complicado dos fenômenos múltiplos que exigem a análise e soluções multidimensional. Nós como os físicos tentam compreender as interacções físicas fundamentais entre nanomaterials e o ecossistema, e desenvolvemos diversos esquemas fáceis para fazer assim usando os princípios e as técnicas da física, dos materiais, e da química física. O foco deste artigo é as contribuições que chaves nosso laboratório fez ao campo da remediação da água potável usando nanomaterials.

Nanomaterials para o Tratamento da Água

No Mundo Inteiro, 1,1 bilhão povos faltam o acesso às suficientes quantidades de água segura.3 As fontes Adequadas da água descontaminada com produção alta a baixo custo são um desafio crescente em todo o mundo. Os métodos Actuais da purificação de água no uso largo empregam o tratamento quimicamente intensivo que é relativamente caro, prejudicial ao ambiente, e não é adaptável ao mundo não-industrializado. as tecnologias Nanomaterial-Baseadas, os adsorventes e os catalizadores podiam criar a novela, ambiental soluções benignas para o tratamento da água. Há três aplicações principais onde os nanomaterials mostram a promessa - detecção e detecção de poluentes, de tratamento e de remediação dos contaminadores, e finalmente, prevenção da poluição. Os Nanomaterials estão sendo usados igualmente para aumentar processos da separação de membrana, conduzindo à maior selectividade e a uns mais baixos custos. Contudo, as aplicações bem sucedidas destas tecnologias exigem o alto nível do controle da mobilidade (NP) do nanoparticle, reactividade, e idealmente, especificidade para o contaminador do interesse.

Os efeitos ecológicos desconhecidos, a estabilidade ambiental, sujando propriedades, baixos limites de detecção, custos altos, e interesses sobre seus regeneração e depósito ambiental limitam as aplicações da grande escala de muitos nanomaterials de uso geral para o tratamento da água, tal como nanoparticles valent zero do ferro, o titanium do dióxido, nanotubes do carbono e zeolites nano. Os Avanços na química macromolecular tal como a síntese de polímeros dendrítico forneceram grandes oportunidades melhorando e desenvolvendo processos de filtragem eficazes para que a purificação de água elimine solutes orgânicos diferentes e aníons inorgánicos. Os polímeros Dendrítico que incluem hyperbranched e polímeros, dendrons e dendrimers do dendrigraft é altamente sintético, nanoscale ramificaram estruturas com um alto nível das funcionalidades de superfície, do monodispersity, da composição controlada, e da arquitetura que indicam comportamento físico-químico interessante devido a seus forma, tamanho e funcionalidades múltiplas.4

Aplicações Ambientais de Polímeros Dendrítico

Um polímero dendrítico pode ser considerado como nanoparticle de um ` brandamente', consistindo em três componentes principais - um núcleo, em pilhas interiores do ramo, e em uma pilha do ramo terminal. O tamanho de um polímero dendrítico é caracterizado por sua geração do `' (g), ou por número de ramos que emanam do núcleo central (Figura 1). Dendrimers tem uma capacidade de acolhimento alta para íons tóxicos do metal, radionuclides, aníons inorgánicos, solutes orgânicos e hidrocarbonetos aromáticos polycyclic (PAHs).5,6 Além Disso, a propriedade amphiphilic pH-dependente de polímeros dendrítico permite que capturem a vária espécie química em ambientes diversos tais como soluções e relações aquosas e orgânicas da petróleo-água, e libera então estas espécies químicas em uma maneira controlada mudando o pH in situ sem ter que recorrer à regeneração intensiva e cara.


Figura 1. estrutura Exemplar de dendrimers do polyamidoamine da geração 0 (G0) e da geração 2 (G2) (PAMAM) com grupos de superfície amino e do amidoethanol. Cortesia de Imagem do Sigma Aldrich.

As seguintes propriedades físico-químicas originais dos dendrimers fazem-nos particularmente atractivos como materiais funcionais para o tratamento da água.

1. Hospedando a capacidade e o reciclagem

Um alto nível da flexibilidade na síntese quase de dendrimers do nanoscale do monodisperse (o tamanho varia entre 1-20 nanômetro) com composição molecular bem definida, o tamanho e a forma, o functionalization variável, e as cavidades hidrofóbicas têm-nos recursos para com o andaime flexível mas rígido. Dendrimers tem viscosidades intrínsecas muito menores do que polímeros lineares com a mesma massa do molar devido a sua forma globular.4 Igualmente têm muita grande área de superfície do que partículas maiorias da mesma massa. Assim, ao contrário das membranas (RO) da osmose reversa e do nanofiltration cujas as operações exigem as membranas de alta pressão, dendrimer-aumentadas (UF) do ultrafiltration opere em umas mais baixas pressões (kPa 200-700) e possa capturar o ponto baixo e a elevação - contaminadores do peso molecular, ao contrário das membranas unmodified do F que podem somente remover o kDa dissolvido dos compostos orgânicos e inorgánicos of3. Além Disso, demonstrou-se que os polímeros dendrítico podem ser integrados na existência, processos comerciais da separação de membrana do F.7,8

Em um estudo do prova--conceito, nosso grupo mostrou que um dendrimer do trifunctional G4-tris PAMAM indica a capacidade de acolhimento excepcional e selectiva para a espécie química principal de importância ambiental, a saber - o cobre 64 cationic (o Cu (II)) íons pelo dendrimer com a formação complexa de transferência de carga do ligante-à-metal (LMCT) no pH 10, 32 íons aniónicos (NO)3- do nitrato com as interacções electrostáticas em moléculas do phenanthrene do PAH do pH 2, e (PN) 10 com as interacções hidrofóbicas no pH 7 (Figura 2).9 Notàvel, quando o pH foram abaixados a 2, o PN e o Cu (II) foi liberado do interior do dendrimer quando NENHUM3- íon foi liberado quando o pH foi levantado para 10.


Figura 2. (a) Estrutura de uma geração 1 poli (amidoamine) - dendrimer (hydroxymethyl) do amidomethane dos tris (Tris-dendrimer), o bloco de apartamentos da geração 4 Tris-dendrimer usado no estudo actual. Vermelho: oxigênio; Verde: amina secundária; Azul: amina terciária. (b) Esquema da espécie química absorvente do dendrimer no pH diferente.9

Além, nós demonstramos a remoção eficiente do ácido humic dissolvido (HA) usando dendrimers de PAMAM.10 O HA é uma molécula extremamente complexa que consiste em diversos grupos químicos aniónicos. O alto nível das funcionalidades de superfície em dendrimers de PAMAM permitiu que comportassem-se como um “nanosponge” em fixar tal espécie molecular complexa. A Central a este método era formação complexa resultando das interacções electrostáticas entre os dendrimers cationic e o HA aniónico no pH neutro. O dobro demonstrado dendrimers de PAMAM a capacidade de adsorventes poliméricos de uso geral para HA, neutralização da carga foi alcançado uma vez. Contudo, o carregamento de dendrimers adicionais re-estabilizou e re-suspendeu os agregados através da repulsa electrostática.

Nós igualmente desenvolvemos um esquema óptico novo baseado na ressonância de superfície do plasmon de um nanowire do ouro (Au-NANOWATT) para detectar selectivamente o Cu (II) em soluções aquosas, para baixo à escala do nanômetro por dendrimers de PAMAM imobilizada eletrostaticamente na carcaça Au-NANOWATT.11 Tal limite de detecção é o por muito mais baixo e o mais praticável entre esquemas analíticos de uso geral para a detecção do íon do metal.

Além Disso, nós caracterizamos este o delicado, ambiental nanomaterials benignos para abrandar nanoparticles descarregados potencialmente nocivos do ambiente aquoso. Os fullerenols foram usados Aqui como um nanomaterial modelo, e suas interacções com os dendrimers de dois gerações, G1 e G4 diferentes foram estudadas usando a espectrofotometria e métodos termodinâmicas. Especificamente, nós encontramos que cada fullerenol limitado com as duas aminas preliminares pelo dendrimer (G1 e G4) com a ligação iónica, e a formação de grandes agregados devido às interacções do inter-conjunto facilitadas pela ligação do hidrogênio e às interacções hidrofóbicas eram evidentes (Figura 3). Aparentemente, tal formação do inter-conjunto pode ser controlada ajustando a relação do molar do dendrimer ao fullerenol. Além, a formação de capacidade de carga dos conjuntos do dendrimer-fullerenol no máximo era energètica favorável e thermodynamically espontâneo.12 Tais interacções do inter-conjunto entre complexos do dendrimer-fullerenol são julgadas desejáveis para abrandar a descarga de acidental dos nanomaterials no ambiente; contudo devem ser minimizados para a entrega da droga de derivados do fullerene por um dendrimer - à luz de sua difusão na circulação sanguínea e na tomada eventual da pilha. Baseado neste estudo, nós recomendamos uma relação da carga de G4/fullerenol de 0.005-0.02 para a entrega da droga (a escala abaixo da precipitação), e uma relação da carga de G4/fullerenol acima de 0,02 para a remediação ambiental. Além Disso, para o nanomedicinal e aplicações ambientais, o espaço deste estudo pode ser estendido àquele de polímeros e nanoparticles ramificados/hyperbranched da carga oposta.


Figura 3. Ilustração do auto-conjunto de um dendrimer de G4-PAMAM (vermelho) e de fullerenols (prata). As aminas preliminares do dendrimer são indicadas em blue.12

Tomados junto, estes estudos de laboratório acima demonstraram que os dendrimers de PAMAM permitem mais thermodynamically um processo espontâneo da adsorção para a vária espécie química e poluentes ambientais do que outros procedimentos convencionais da purificação de água tais como o RO, que exigem a energia conduzir o processo à conclusão. Tais propriedades de dendrimers de PAMAM devem apelar às futuras gerações de dispositivos do tratamento da água.

2. Biocompatibility

a toxicidade Dendrimer-Relacionada tem sido observada somente para o G7 e maior e mesmo então, somente mìnima.13 Diversos estudos no uso dos dendrimers para o transfection do ADN, portadores do agente do contraste do íon do metal para MRI, visaram a droga e veículos de entrega terapêuticos do agente, e os inibidores virais sugeriram que polímeros hyperbranched e dendrimers de PAMAM do G5 e são abaixo não-tóxicos e biodegradáveis.14,15 Além Disso, os dendrimers não saem atrás de nenhuns subprodutos potencialmente nocivos.

3. Degradability

Os dendrimers de PAMAM mostram a degradação mensurável somente no terceiro ano de armazenamento em 5°C, e uma vida útil de ~6-9 meses na temperatura ambiental, com base na reacção de retro-Michael. Uma vida tão longa assegura a estabilidade e a eficácia de polímeros dendrítico para a prática do tratamento da água. Além Disso, a adição das ligações enzima-degradable (por exemplo, amidos em PAMAM) pode ser usada tais que as enzimas hydrolytic intracelulares ou extracelulares podem quebrar as correntes do polímero dentro de uma. Esta propriedade podia tornar-se relevante em cima da tomada acidental de polímeros dendrítico durante o consumo de água. Um terceiro mecanismo para a degradação do dendrimer é pela hidrólise da água que actua em ligações de éster nos polímeros. Tais mecanismos podem ser utilizados para dividir selectivamente polímeros dendrítico afixam seu uso no tratamento da água.

Assim, as capacidades de acolhimento altas e versáteis, o uso eficaz da energia, o regenerability, a selectividade, o biocompatibility, e ambiental a natureza benigna fazem a polímeros dendrítico um nanomaterial desejável para aplicações ambientais. É conseqüentemente nosso esforço para explorar o comportamento físico-químico de polímeros dendrítico para a remediação ambiental.

Sentidos Futuros

Nós estamos desenvolvendo estratégias para estender o espaço de polímeros dendrítico para a remediação ambiental. Um de nossos estudos recentes explorou a capacidade destes polímeros dendrítico para dispersar o petróleo derramado,16 um perigo ambiental enorme associado com o funcionamento a pouca distância do mar do sector petroleiro. Energètica, o interior hidrofóbica destes polímeros no pH ambiental da água prevê o espaço amplo para que as moléculas hidrofóbicas do petróleo dividam dentro.

Quando sobre 70% da superfície de terra for coberto pela água, simplesmente aproximadamente 3% dele está disponível para o consumo humano. Mesmo mais ruim, em países em vias de desenvolvimento, 80% das doenças são água relativa. Além do que o fornecimento de soluções técnicas ao desafio staggering de fornecer a água potável limpa, a aceitação reguladora e pública a usar a nanotecnologia para o tratamento de água potável deve ser estabelecida. Além, as avaliações de ciclo de vida dos riscos e dos benefícios destes nanomaterials são crucial necessárias.


Referências

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

Last Update: 21. September 2012 05:20

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