Related Offers

Влияния Окружающей Среды Нанотехнологии


Др. Priyanka Battacharya

Др. Priyanka Battachara, Nano-Биофизика и Мягкая Лаборатория Дела, Отдел Физики и Астрономия, Университет Clemson.
Соответствуя автор: pbhatta@g.clemson.edu

Содержание

Введение
Nanomaterials для Водоочистки
Относящие К Окружающей Среде Применения Ветвеобразных Полимеров
Будущие Направления
Справки

Введение

Недавние выдвижения в материальную науку и нанотехнологию давали подъем к мириад развитий, которые имеют вести к звонокам для исследования в удары nanomaterials на окружающей среде и здоровьях человека. Над прошлой декадой, там росли забота над потенциально неблагоприятными ударами относящих к окружающей среде и здоровья nanomaterials.1 В тоже время, нанотехнология обеспечивала улучшенные относящие к окружающей среде разрешения, специально в поле качества воды.2 Проблемы окружающей среды осложненная мозаика множественных явлений которые требуют многомерных анализа и разрешений. Мы по мере того как физики пробуют понять основные физические взаимодействия между nanomaterials и экосистемой, и начали несколько лёгких схем для делать так используя принципы и методы физики, материалов, и физической химии. Фокус этой статьи ключевые вклады наша лаборатория делала к полю remediation питьевой воды используя nanomaterials.

Nanomaterials для Водоочистки

Всемирно, 1,1 миллиарда люди нуждаются доступе к достаточному количеству безопасной воды.3 Адекватние поставкы decontaminated воды с высоким объём на низкой цене растущая возможность вокруг мира. Настоящие методы очищения воды в широкой пользе используют химически интенсивнейшую обработку которая относительно дорогая, вредная к окружающей среде, и не способна к адаптации к non-индустриализированному миру. Nanomaterial-Основанные технологии, адсорбенты и катализаторы смогли создать роман, в отношении к окружающей среде доброкачественные разрешения для водоочистки. 3 главной программы где nanomaterials показывают посыл - воспринимать и обнаружение поллютантов, обработки и remediation загрязняющих елементов, и окончательно, предохранение загрязнения. Nanomaterials также используются для того чтобы увеличить процессы разъединения мембраны, водящ к большой селективности и более низким ценам. Однако, успешные применения этих технологий требуют высокой степени управления удобоподвижности (NP) nanoparticle, реактивности, и идеально, характерность для загрязняющего елемента интереса.

Неизвестные экологические влияния, относящая к окружающей среде стабилность, напакостя свойства, низкие пределы обнаружения, высокие цены, и заботы над их регенерацией и относящим к окружающей среде низложением ограничивают применения большого диапазона много обыкновенно используемых nanomaterials для водоочистки, как nano zero valent nanoparticles утюга, titanium двуокиси, nanotubes углерода и цеолиты. Выдвижения в макромолекулярную химию как синтез ветвеобразных полимеров обеспечили колоссальные возможности для улучшать и начинать эффективные процессы фильтрации для очищения воды для того чтобы исключить различные органические solutes и неорганические анионы. Ветвеобразные полимеры которые включают hyperbranched и полимеры, dendrons и dendrimers dendrigraft сильно синтетическое, разветвленные строения nanoscale с высокой степенью поверхностных функциональностей, monodispersity, контролируемый состав, и зодчество которые показывают интересное physicochemical поведение должное к их форме, размеру и множественным функциональностям.4

Относящие К Окружающей Среде Применения Ветвеобразных Полимеров

Ветвеобразный полимер может быть сосчитан как nanoparticle ` мягко', состоя из 3 главным образом компонентов - сердечника, нутряных клеток ветви, и клетки терминальной ветви. Размер ветвеобразного полимера охарактеризован своим поколением `' (G), или количеством ветвей исходя от центрального ядра (Диаграммы 1). Dendrimers имеет высокую хозяйничая емкость для токсических ионов металла, радионуклидов, неорганических анионов, органических solutes и полициклических ароматичных углеродов (PAHs).5,6 Сверх Того, пэ-аш-зависимое amphiphilic свойство ветвеобразных полимеров позволяет им захватить различный химический вид в разнообразных окружающих средах как водяные и органические разрешения и интерфейсы масл-воды, и после этого выпускает эти химические виды в контролируемом образе путем изменять пэ-аш в situ без прибегнуть к интенсивнейшей и дорогей регенерации.


Диаграмма 1. Примерная структура dendrimers polyamidoamine поколения 0 (G0) и поколения 2 (G2) (PAMAM) с группами амино и amidoethanol поверхностными. Учтивость Изображения Сигмы Aldrich.

Следующие уникально physicochemical свойства dendrimers делают их в частности привлекательным как функциональные материалы для водоочистки.

1. Хозяйничать емкость и recyclability

Высокая степень гибкости в синтезе почти dendrimers nanoscale monodisperse (размер колебается между 1-20 nm) с чёткий молекулярным составом, размер и форма, переменное functionalization, и гидродобные полости позволяют их с гибкими но твердыми лесами. Dendrimers имеет гораздо малее внутреннеприсущие выкостности чем линейные полимеры с такой же молярной массой из-за их шаровидной формы.4 Они также имеют много большой поверхностной зоны чем навальные частицы такого же MASS. Таким Образом, не похож на мембраны обратного (RO) осмоза и nanofiltration деятельности которых требуют высокого давления, dendrimer-увеличенные мембраны (UF) ультрафильтрования работают на более низкых давлениях (kPa 200-700) и могут захватить и низкие и высокомолекулярные загрязняющие елементы веса, не похож на unmodified мембраны UF которые могут только извлечь растворенное kDa органических и неорганических смесей of3. Сверх Того, было продемонстрировано что ветвеобразные полимеры могут быть интегрированы в существовать, коммерчески процессы разъединения мембраны UF.7,8

В изучении доказательств--принципиальной схемы, наша группа показала что dendrimer trifunctional G4-tris PAMAM показывает исключительнейшую и селективную хозяйничая емкость к главному химическому виду относящой к окружающей среде релевантности, namely - катионоактивную медь 64 (Cu (II)) ионы в dendrimer через образование перехода обязанности лиганд-к-металла (LMCT) сложное на пэ-аш 10, 32 анионных иона (NO)3- нитрата через электростатические взаимодействия на молекулах фенантрена PAH пэ-аш 2, и (PN) 10 через гидродобные взаимодействия на пэ-аш 7 (Диаграмма 2).9 Замечательн, когда пэ-аш были понижены до 2, и PN и Cu (II) был выпущен от интерьера dendrimer пока НИКАКИЕ3- ионы не были выпущены когда пэ-аш был поднят до 10.


Диаграмма 2. Структура (a) поколения 1 поли (amidoamine) - dendrimer amidomethane tris (оксиметильное) (Tris-dendrimer), строительный блок поколения 4 Tris-dendrimer используемого в текущем исследовании. Красный Цвет: кислород; Зеленый Цвет: вторичный амин; Синь: третичный амин. (b) Схема вида dendrimer absorbing химического на различном PH.9

В добавлении, мы демонстрировали эффективное удаление растворенной гуминовой кислоты (HA) используя dendrimers PAMAM.10 HA весьма комплексная молекула состоя из нескольких анионных химических групп. Высокая степень поверхностных функциональностей на dendrimers PAMAM позволила им поступать как «nanosponge» в адсорбировать такой сложный молекулярный вид. Централь к этому методу была сложным образованием приводящ к от электростатических взаимодействий между катионоактивными dendrimers и анионным HA на нейтральном PH. Dendrimers PAMAM продемонстрировали двойник емкость обыкновенно используемых полимерных адсорбентов для HA, раз обезвреживания обязанности достигались. Однако, нагружать дополнительных dendrimers re-стабилизировал и ресуспензировал компоситы через электростатическое отталкивание.

Мы также начали романную оптически схему основанную на поверхностном резонансе плазмона nanowire золота (Au-NW) выборочно для того чтобы обнаружить Cu (II) в водных растворах, вниз к ряду nM dendrimers PAMAM электростатически лишенному подвижности на субстрате Au-NW.11 Такой предел обнаружения значительно самым низким и само возможно среди обыкновенно используемых аналитически схем для обнаружения иона металла.

Furthermore, мы характеризовали эт нежность, в отношении к окружающей среде доброкачественные nanomaterials для mitigating потенциально вредные discharged nanoparticles от водяной окружающей среды. Здесь fullerenols были использованы как модельный nanomaterial, и их взаимодействия с dendrimers 2 различных поколений, G1 и G4 были изучены используя спектрофотометрирование и термодинамические методы. Специфически, мы нашли что каждое fullerenol прыгнутое с 2 основными аминами в dendrimer (и G1 и G4) через ионный выпуск облигаций, и образование больших компоситов должных к взаимодействиям взаимо--группы облегченным выпуском облигаций водопода и гидродобным взаимодействиям было очевидны (Диаграмма 3). По-видимому, такое образование взаимо--группы может быть проконтролировано путем регулировать молярный коэффициент dendrimer к fullerenol. В добавлении, образование агрегатов dendrimer-fullerenol на максимальной емкости нагрузки было напористо благоприятно и термодинамически самопроизвольно.12 Такие взаимодействия взаимо--группы между комплексами dendrimer-fullerenol посчитаны желательным для mitigating случайный отпуск nanomaterials в окружающей среде; однако они должны быть уменьшены для поставки снадобья производных fullerene dendrimer - в свете их диффузии в кровотоке и окончательном понимании клетки. Основано на этом изучении, мы рекомендуем коэффициент нагрузки G4/fullerenol 0.005-0.02 для поставки снадобья (ряда под высыпанием), и коэффициент нагрузки G4/fullerenol над 0,02 для относящого к окружающей среде remediation. Furthermore, как для nanomedicinal, так и для относящих к окружающей среде применений, объем этого изучения может быть продлен к тому из разветвлянных/hyperbranched полимеров и nanoparticles противоположной обязанности.


Диаграмма 3. Иллюстрация собственн-агрегата dendrimer G4-PAMAM (красного) и fullerenols (серебра). Основные амины dendrimer показаны в blue.12

Принято совместно, эти лаборатори-маштаб изучают над продемонстрировано что dendrimers PAMAM включают термодинамически самопроизвольно процесс адсорбцией для различного химического вида и относящих к окружающей среде поллютантов чем другие обычные процедуры по очищения воды как RO, которые требуют, что энергия управляет процессом к завершению. Такие свойства dendrimers PAMAM должны апеллировать к будущим поколениям приборов водоочистки.

2. Biocompatibility

Dendrimer-Родственная токсичность наблюдалась только для G7 и больш то и тогда, только минимально.13 Несколько изучений на пользе dendrimers для transfection ДНА, несущих агента контраста иона металла для MRI, пристрелли снадобье и терапевтические корабли поставки агента, и вирусные иы АБС битор предложили что hyperbranched полимеры и dendrimers PAMAM G5 и ниже нетоксически и biodegradable.14,15 Сверх Того, dendrimers не выходят за всеми потенциально вредными субпродуктами.

3. Degradability

Dendrimers PAMAM показывают измеряемое ухудшение только в третьем годе хранения на 5°C, и срок годности при хранении ~6-9 месяцев на температуре окружающей среды, основанный на реакции ретро-Майкл. Такая длинняя продолжительность жизни обеспечивает стабилность и эффективность ветвеобразных полимеров для практики водоочистки. Furthermore, добавление энзим-degradable скреплений (например, амидов в PAMAM) можно использовать таким что внутриклеточные или внеклеточные гидролизные энзимы могут сломать цепи полимера не познее одно. Это свойство смогло стать уместным на случайном понимании ветвеобразных полимеров во время потребления воды. Третий механизм для ухудшения dendrimer гидролизом воды действуя на скреплениях эстера в полимерах. Такие механизмы могут быть использованы выборочно для того чтобы сломать вниз с ветвеобразных полимеров вывешивают их использование в водоочистке.

Таким Образом, высокие и разносторонние хозяйничая емкости, выход по энергии, regenerability, селективность, biocompatibility, и в отношении к окружающей среде доброкачественная природа делают ветвеобразными полимерами желательный nanomaterial для относящих к окружающей среде применений. Поэтому наше усилие эксплуатировать поведение физико--химиката ветвеобразных полимеров для относящого к окружающей среде remediation.

Будущие Направления

Мы начинаем стратегии для продлевать объем ветвеобразных полимеров для относящого к окружающей среде remediation. Одно из наших недавних изучений исследовало способность этих ветвеобразных полимеров разметать разленное масло,16 огромную опасность для окружающей среды связанную с оффшорный деятельностью нефтяной промышленности. Напористо, гидродобный интерьер этих полимеров на окружающем пэ-аш воды обеспечивает для обширного космоса для гидродобных молекул масла для того чтобы разделить внутри.

Пока над 70% из земной поверхности покрывает водой, только около 3% из его доступно для людского потребления. Даже плох, в развивающаяся страна, 80% из болезней отнесенная вода. В дополнение к снабубежать технические разрешения staggering возможность снабубежать чистую питьевую воду, регламентационно и признание общественностью использование нанотехнологии для обработки питьевой воды быть установлено. В добавлении, оценки жизненного цикла рисков и преимущества этих nanomaterials критически необходимы.


Справки

  1. Colvin, V.L. Потенциальное экологическое воздействие проектированных nanomaterials. Nat. Biotechnol. 2003, 21, 1166-1170.
  2. Дикарь, N. и Diallo, M.S. Nanomaterials и очищение воды: Возможности и возможности. J. Nanopart. Res. 2005, 7, 331-342.
  3. Prentice, T. и Reinders, L.T. Отчет о 2007 здоровья мира: более безопасное будущее: глобальная обеспеченность общественных здравоохранений в двадцать первом веке. Всемирная Организация Здравоохранения. 2007, 1-96.
  4. Frechet, J.M.J.; Tomalia, D.A. Dendrimers и Другие Полимеры Dendrtitic. Серия Wiley в Науке Полимера; Wiley: Чичестер, Англия, 2001; pp. 648.
  5. Ottaviani, M.F.; Favuzza, P.; Bigazzi, M.; Turro, N.J.; Jockusch, S.; Tomalia, D.A. Исследование TEM и EPR конкурсной вязки ионов уранила к dendrimers и липосомам Starburst: Потенциальная польза dendrimers как губки иона уранила. Langmuir 2000, 16, 7368-7372.
  6. Шпик, M.; Ким, S.H.; Lin, S.; Bhattacharya, P.; Ke, P.C.; Lamm, перекачка энергии резонанса M.H. Флуоресцирования между фенантреном и dendrimers PAMAM. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 9285-9291.
  7. Diallo, Водоочистка M.S. dendrimer увеличило фильтрацию. Патент 2008 Соединенные Штаты, 11/182,314, 1-40.
  8. Halford, B. Dendrimers разветвляет вне. Химикат и Новости 2005 Инджиниринга, 83, 30-36.
  9. Chen, P.; Yang, Y.; Bhattacharya, P.; Wang, P.; Ke, P.C. Tris-dendrimer для хозяйничать разнообразный химический вид. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 12789-12796.
  10. Bhattacharya, P.; Conroy, N.; Rao, A.M.; Пауэлл, B.; Ladner, A.D.; Ke, dendrimer C. PAMAM P. для mitigating гуминовое foulant, Adv RSC. 2012, 2, 7997-8001.
  11. Bhattacharya, P.; Chen, P.; Spano, M.N.; Zhu, L.; Ke, обнаружение P.C. Меди используя dendrimer и золото nanowire-навел поверхностный резонанс плазмона. J. Appl. Phys. 2011, 109, 014911-1-6.
  12. Bhattacharya, P.; Ким, H.S.; Chen, P.; Chen, R.; Spuches, A.M.; Брайн, J.M.; Lamm, H.M.; Ke, P.C. Dendrimer-fullerenol мягк-сконденсированное nanoassembly. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 15775-15781.
  13. Ли, C.C.; MacKay, J.A.; Frechet, J.M.J.; Szoka, dendrimers F.C. Designing для биологических применений. Nat. Biotech. 2005, 23, 1517-1526.
  14. Mortimer, M.; Kasemets, K.; Heinlaan, M.; Kurvet, I.; Kahru, assay ингибитирования биолюминесценции fischeri Вибриона объём A. Высок кинетический для изучения токсических влияний nanoparticles. Токсикология в Vitro 2008, 22, 1412-1417.
  15. Тянь, M.X.; Redemann, C.T.; Szoka, F.C. В поставке гена vitro ухудшенными dendrimers polyamidoamine. Bioconjugate Chem. 1996, 7, 703-714.
  16. Geitner, K.N.; Bhattacharya, P.; Steele, M.; Ladner, A.D.; Ke, взаимодействие полимер-углерода P.C. Understanding ветвеобразное для рассеивания масла. Adv RSC. 2012, Предварительная Статья (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