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納米技術的環境效果


Priyanka Battacharya 博士

Priyanka Battachara、納諾生物物理學和軟的問題實驗室、物理系和天文,克萊姆森大學博士。
對應的作者: pbhatta@g.clemson.edu

目錄

簡介
水處理的 Nanomaterials
樹狀聚合物的環境應用
前途
參考

簡介

在材料學和納米技術上的最近進步提升了無數發展,有導致呼叫請求研究到 nanomaterials 的影響對環境和人類健康。 在過去十年中,那裡生長對 nanomaterials 的可能地相反環境和健康影響的關心。1 同時,納米技術提供了改進的環境解決方法,特別是在水質領域。2 環境問題是要求多維分析和解決方法多個現象的複雜馬賽克。 我們,當物理學家設法瞭解 nanomaterials 和生態系之間的根本實際交往使用物理、材料和物理化學,原則和技術,和開發了如此執行的幾個輕便模式。 此條款焦點是使用 nanomaterials,我們的實驗室做了對飲用水補救的域的關鍵攤繳。

水處理的 Nanomaterials

全世界, 11億人缺乏對足够的相當數量的存取安全的水。3 與高處理量的淨化的水足够的用品在低成本是一個生長挑戰環球。 在寬使用的當前水淨化方法使用化工對這個環境是相對地消耗大,有害的,并且不是能適應的對這個非工業化的世界的密集處理。 基於 Nanomaterial 的技術、吸附和催化劑能創建小說,環境水處理的良性解決方法。 有 nanomaterials 顯露才華 - 汙染物、汙染物處理和補救感覺和檢測,和終於,汙染的預防的三個主要應用。 Nanomaterials 也用於提高膜分離進程,導致更加極大的選擇性和低成本。 然而,這些技術的成功的應用為汙染物利益要求 (NP)高度納米顆粒流動性,反應性控制,和理想地說,特異性。

未知的生態作用,環境穩定性,弄髒屬性,低檢測極限、高費用和關心對他們的重新生成和環境證言限制許多常用的 nanomaterials 的大規模應用水處理的,例如納諾零的 valent 鐵,二氧化鈦 nanoparticles、碳 nanotubes 和泡沸石。 在大分子化學的預付款例如樹狀聚合物綜合為改進和開發水淨化的有效過濾過程能消滅不同的有機此致和無機陰離子提供了重要機遇。 包括 hyperbranched,并且 dendrigraft 聚合物、 dendrons 和 dendrimers 是高度綜合的樹狀聚合物, nanoscale 分支與顯示有趣物理化學的工作情況由於他們的形狀、範圍和多個功能的高度的結構表面功能、 monodispersity、受控構成和結構。4

樹狀聚合物的環境應用

一個樹狀聚合物可能軟綿綿地被認為 `』納米顆粒,包括三個主要成份 - 核心,內部分行細胞和一個最終分行細胞。 一個樹狀聚合物的範圍描繪為其 ` 發出從這個核心 (圖 1) 的分行的生成』 (G) 或者編號。 Dendrimers 有含毒物金屬離子、放射性核素、無機陰離子、有機此致和多不的芳烴的一個高主持的能力 (PAHs)。5,6 而且,樹狀聚合物酸碱度從屬的兩性分子的屬性在不同的環境裡給他們獲取多種化工種類例如含水和有機解決方法和油水界面,通過在原處更改酸碱度以受控方式然後發行這些化工種類,而不必採取密集和消耗大的重新生成。


圖 1. 模範結構生成 0 (G0) 和生成 2 (G2) 與氨基和 amidoethanol 表面組的 polyamidoamine (PAMAM) dendrimers。 斯格碼 Aldrich 鏡像。

dendrimers 下列唯一物理化學的屬性使他們特別有吸引力作為水處理的功能材料。

1. 主持能力和再循環能力

高度在接近 monodisperse 與明確定義的分子構成的 nanoscale (範圍排列在 1-20 毫微米) 之間 dendrimers 綜合的靈活性,範圍和形狀、可變的 functionalization 和疏水洞買得起他們與靈活,但是嚴格的腳手架。 由於他們的球狀形狀, Dendrimers 比與同一個槽牙質量的線性聚合物有更小的固有粘度。4 他們比同一個質量的批量微粒也有大表面。 因此,不同於運算 (RO)要求高壓的逆滲透作用和 nanofiltration 膜, dendrimer 改進的超過濾 (UF)膜请運行以低壓 (200-700 kPa) 并且能獲取低和高分子重汙染物,不同於可能只去除被溶化的有機和無機化合物 of3 kDa 的非限定的 UF 膜。 而且,被展示樹狀聚合物可以是集成到存在,商業 UF 膜分離進程。7,8

在證明概念研究中,我們的組顯示 trifunctional G4-tris PAMAM dendrimer 顯示往環境相關性的主要化工種類的例外和有選擇性的主持的能力,即 - 64 負離子銅 (古芝 (II)) 離子每 dendrimer 通過在酸碱度 10, 32 個負離子硝酸鹽離子的配合基對金屬電荷轉移 (LMCT) 複雜 (NO)3-形成通過在酸碱度 2 和 10 PAH 菲分子的靜電 (PN)交往通過在酸碱度 7 (圖 2) 的疏水交往。9 卓越地,當酸碱度降低到 2, PN 和古芝 (II) 從 dendrimer 內部被發行了,當3- 未發行時離子,當酸碱度被上升了到 10。


的生成 1 的圖 2. (a) 多結構 (酰胺) - tris (羥甲基的) amidomethane dendrimer (Tris-dendrimer),生成 4 用於本研究的 Tris-dendrimer 的構件。 紅色: 氧氣; 綠色: 附屬胺物; 藍色: 叔胺。 (b) dendrimer 引人入勝的化工種類的模式在另外 PH. 的。9

另外,我們展示了被溶化的胡敏酸高效的刪除 (HA)使用 PAMAM dendrimers。10 HA 是包括幾個負離子化工組的一個非常複雜分子。 高度在 PAMAM dendrimers 的表面功能給他們正常運行作為一 「nanosponge」在吸附這樣複雜分子種類。 對此方法的中央是複雜形成起因於負離子 dendrimers 和負離子 HA 之間的靜電交往在中立 PH。 PAMAM dendrimers 被展示的雙常用的聚合物吸附能力 HA 的,充電中立化曾經被到達了。 然而,裝載另外的 dendrimers 通過靜電厭惡再穩定了并且重新懸掛了綜合。

我們也開發了在金 nanowire 基礎上 (澳大利亞 NW) 的表面胞質基因共鳴的一個新穎的光學模式選擇性地檢測古芝 (II) 在水溶液,下來對在澳大利亞 NW 基體由 PAMAM dendrimers 的 nM 範圍靜電地固定的。11 這樣檢測極限在金屬離子檢測的常用的分析模式中是顯然最低和最可行的。

此外,我們分析了這些軟件,環境緩和的潛在有害的被釋放的 nanoparticles 良性 nanomaterials 從這個含水環境。 這裡 fullerenols 使用了作為一模型 nanomaterial,使用分光光度學和熱力學方法,并且他們的與二个不同生成、 G1 和 G4 dendrimers 的交往被學習了。 特別地,我們發現每 fullerenol 一定與每 dendrimer 二主要胺物 (G1 和 G4) 通過離子接合和大綜合的形成由於氫接合實現的相互字符串交往和疏水交往是明顯的 (圖 3)。 表面上,這樣相互字符串形成可以通過調整 dendrimer 槽牙比例控制對 fullerenol。 另外, dendrimer-fullerenol 集合最大值負載容量的形成是精力充沛地有利和熱力學上自發。12 dendrimer-fullerenol 複雜之間的這樣相互字符串交往在這個環境裡視為理想為緩和 nanomaterials 事故性洩漏; 然而應該為球碳衍生商品藥物發運減到最小他們由 dendrimer - 根據他們的在血液和最後的細胞增加的擴散。 憑此研究,我們推薦 G4/fullerenol 裝載比例 0.005-0.02 藥物發運的 (在降雨雪下的範圍) 和 G4/fullerenol 裝載比例在 0.02 上環境治理的。 此外,為 nanomedicinal 和環境應用,此研究的範圍可能延伸到那相反的充電分支的/hyperbranched 聚合物和 nanoparticles。


G4-PAMAM dendrimer (紅色) 和 fullerenols (銀) 的自集合的圖 3. 例證。 dendrimer 的主要胺物在 blue.12 指示

採取一起,上面這些實驗室規模研究顯示出, PAMAM dendrimers 比其他常規水淨化程序更加熱力學上啟用多種化工種類和環境汙染物的一個自發吸附進程例如 RO,要求能源驅動這個進程到完成。 PAMAM dendrimers 這樣屬性應該喜歡水處理設備的下一代。

2. Biocompatibility

Dendrimer 關連的有毒對 G7 甚而然後仅被觀察了和更大和,只最低限度地。13 關於使用的幾個研究脫氧核糖核酸轉染的 dendrimers,金屬離子對比 MRI 的作用者承運人,瞄準了藥物和治療作用者運載工具,并且病毒抗化劑建議了 hyperbranched 聚合物和 G5 PAMAM dendrimers 以下是無毒和生物可分解的。14,15 而且, dendrimers 不忘記任何潛在有害的副產品。

3. Degradability

PAMAM dendrimers 在第三學年仅顯示可測量的降低存貯在 5°C 和 ~6-9 個月一個儲存期限在周圍溫度,根據減速火箭邁克爾回應。 這樣長的壽命保證樹狀聚合物的穩定性和效果水處理運作的。 此外,可以使用酵素自然分解的債券 (即,在 PAMAM 的氨化物的) 添加這樣細胞內或細胞外水解酵素在一个之內可能中斷聚合物鏈子。 此屬性能變得相關在樹狀聚合物偶然增加在用水量時。 dendrimer 降低的第三個結構是由操作在聚合物的酯鍵的水加水分解。 這樣結構可能使用選擇性地劃分樹狀聚合物張貼他們的在水處理的用量。

因此,高和多才多藝的主持的能力、節能、 regenerability、選擇性、 biocompatibility 和環境良性本質做樹狀聚合物環境應用的一理想的 nanomaterial。 因此是我們的工作成績利用樹狀聚合物物理化學的工作情況環境治理的。

前途

我們開發擴大的樹狀聚合物的範圍方法環境治理的。 我們的一個最近研究測試這些樹狀聚合物的能力分散溢出的油,16巨大的環境危害與石油工業的近海運算相關。 精力充沛地,這些聚合物疏水內部在四周水酸碱度的提供疏水油分子的充足的空間能分區。

當 70% 地面由水時包括,只有大約 3% 它為人力衝減是可用的。 壞,在發展中國家, 80% 病症是涉及的水。 除提供技術解決方法之外給提供乾淨的飲用水的猶豫挑戰,必須設立管理和公眾認可給使用納米技術飲用水處理的。 另外,對這些 nanomaterials 的風險和福利的壽命週期鑒定是關鍵地必要的。


參考

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

Last Update: 21. September 2012 05:18

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