NANOTEHNOLOGIJA

NANOTEHNOLOGIJA
Dr. Maja Remškar;
Nanodelci in nanovarnost,
2009
NANODELCI
Kaj so nanodelci?*
• Nanodelci so drobni skupki materiala,ki
so (v vsaj eni dimenziji) manjši od
100 nanometrov = 0.1mikrometra.
• V obliki tanke plasti, ali pa tanki
igličasti kristali ali nitke.
• Nanodelci so premajhni, da bi jih videli
s prostim očesom!
• Da delec dobi predpono nano- mora biti vsaj v eni dimenziji
manjši od 100nm. Nanodelci so lahko zelo tanka vlakna, ki so
dolga tudi več metrov, lahko so to igličasti kristali ali nitke, pa tudi
majhne kroglice in zrnca.
• Pri samih nanodelcih in v materialih, ki le-te vsebujejo, so opazili
lastnosti, ki se močno razlikujejo od lastnosti, ki jih imajo večji
delci enake kemijske sestave. Fizikalno-kemijske lastnosti, ki
so v nanodelcih drugačne, so spremenjena kemična
reaktivnost, električna prevodnost, termična razteznost,
optična prevodnost, trdnost... Posamezni nanodelci nimajo
vseh teh lastnosti, je pa pogosto, da ima delec na nanoskali
zgoraj navedene značilnosti drugačne kot delec, ki je za velikostni
red ali dva večji.
• Razmerje med površino in prostornino delca je zelo
pomemben podatek, saj kaže kako (kemično) reaktiven je
delec. Večje kot je razmerje, bolj je delec reaktiven.
Kemijske sile med delci so posledica reaktivnosti površinskih
atomov. Če je atomov na površini več oz. imajo atomi več prostih
vezi, se delci lahko hitreje in močneje vežejo.
• http://projekti.gimvic.org/2011/2f/nano/zakljucek.html
•
•
•
•
•
•
•
Dejstvo je, da varnih nanodelcev ni. Je pa zelo težko reči, kakšen vpliv imajo na okolje. Njihova glavna
lastnost je, da so majhni in lahki, da lahko dolgo časa lebdijo v zraku. Zaradi velikega števila atomov na
površini, ki nimajo vseh sosednjih atomov in zato tudi ne zapolnjenih kemijskih vezi, imajo nanodelci
povečano kemijsko aktivnost. Pomembna je seveda tudi kemijska sestava.
Poleg namensko narejenih nanodelcev moramo biti pozorni tudi na nenamensko proizvedene nanodelce, še
posebej v gradbeništvu, ki nastajajo kot stranski produkt proizvodnje oz. rušenja objektov, betoniranja,
brušenja, rezanja, mletja, lomljenja, menjave kritin (posebno azbestnih) in tudi brušenja sten za končno
obdelavo. Pri vseh teh postopkih nastajajo nanodelci, ki gredo v prostor.
V človeško telo pridejo nanodelci skozi kožo, prebavila in predvsem dihala.
V notranjih prostorih je precej velika koncentracija nanodelcev že zaradi t.i. ozadja. Ti delci, ki so vedno
prisotni v zraku, so predvsem posledica gorenja in izpuhov avtomobilskih motorjev, predvsem dizelskih.
Naravno proizvedeni nanodelci nastanejo kot posledica vulkanskih izbruhov, erozij ali puščavskega prahu.
Tudi virusi so naravno proizvedeni nanodelci, vendar je njihov delež v prostoru precej manjši od delcev
zaradi gorenja. V nekem stanovanju v mestu je od 10 tisoč do 40 tisoč nanodelcev v cm3 zraka. Na
podeželju je to število nekoliko manjše. Nanodelci pridejo v prostor tudi iz odprtih kaminov, zelo
priljubljene so tudi sveče (v lokalih in doma), ki sproščajo zelo velike količine nanodelcev, premera 20–30
nm. Dokazano je, da nanodelci ogljika skrajšujejo življenjsko dobo in povzročajo bolezni srca in ožilja.
Kajenje je, kot vemo, toksično, kancerogeno, v cm3 izdihanega zraka kadilcev je 100 milijonov
nanodelcev. V vdihanem zraku kadilcev so nanodelci mešani z večjimi delci, ki se tudi nalagajo v pljučih in
so kemijsko manj aktivni, vendar so veliko bolj obremenilni zaradi nalaganja v pljučih. Toksično je tudi
pasivno kajenje, kjer je delež nanodelcev v vdihanem zraku povečan. Še posebej so občutljivi otroci. V
prostoru, kjer je nekdo kadil, ostajajo nanodelci v ozračju tudi po več tednov.
Največji onesnaževalci, predvsem v prometu so dizelski avtomobili, poleg avtomobilov za zasebno rabo
tudi vsa tovorna vozila na dizelski pogon.
Potrebno pa je poudariti to, da se nanodelcev ne smemo bati in se »skrivati« pred njimi. Potrebno je, da z
njimi živimo v sožitju, saj se jim popolnoma izogniti ne moremo. Nimajo pa samo negativnih učinkov,
obstajajo tudi raziskave o učinku nanodelcev na npr. kožnega raka. Žal pa to področje ni dobro raziskano
zato ne vemo, kaj je pravzaprav res
• Vsi zelo majhni delci niso nevarni človeku, razen če pridejo v
organizem v prevelikem številu.
• Človeško telo je razvilo obrambne mehanizme pred raznimi
boleznimi, virusi in majhnimi delci. Toksični so tisti delci, ki ob
prihodu v telo kemijsko reagirajo s posameznimi celicami, jih
spremenijo ali uničijo, ali pa spremenijo ali ovirajo njihovo
delovanje.
• Majhni delci lahko poškodujejo epitelijsko tkivo, povzročijo vnetja,
alergije in odziv celic na oksidativni stres.
• V človeško telo lahko delci pridejo skozi kožo, prebavila in
predvsem dihala. Delci lahko tudi preidejo skozi celične
membrane. Pri težje topnih delcih, kot so recimo kovinski oksidi,
je odstranjevanje delcev iz organizma precej zapleteno, saj se
začnejo zbirati v ledvicah. Delci lahko tudi pridejo v krvni obtok
ter možgane.
• Kot eden izmed najbolj prepoznavnih primerov ogrožanja zdravja
se pogosto omenja azbest. Njegova toksičnost poleg reaktivnosti
je v tem, da se material pogosto pojavlja v obliki vlaken, ki so
lahko široka zgolj 10 nm, ob tem pa dolga tudi po več μm. Taka
vlakna lahko kljub svoji velikosti pridejo globoko v pljuča.
•
Nanohrana je beseda, s katero označujemo hrano, ki je bila pridelana, predelana ali pakirana s pomočjo
nanotehnologije ali v katero so primešani nanomateriali.To ni več stvar znanstvene fantastike, ampak je že na
prodajnih policah, ne da bi bilo na izdelkih sploh označeno, da vsebujejo nanomateriale.
•
Nekaj primerov uporabe nanotehnologije v prehrani:
•
nanosrebro uporabljajo zaradi njegove antibakterijske aktivnosti, na primer v embalaži za hrano, v hladilnikih,
lončkih za otroško hrano in čaj, kuhinjski posodi,.. ;
•
nanodelci silicijevega oksida so dodani polimernim kompozitom, da povečajo njihovo gostoto in preprečijo
prepustnost plastike za kisik ter tako podaljšajo obstojnost hrane;
•
nanokroglice škroba z velikostjo od 50 do 150 nanomestrov so dodelane lepilu za embalažo, saj s svojo kar
400-krat večjo površino od običajnega škroba za pripravo zahtevajo manj vode in ustrezno krajši čas za
sušenje;
•
nanodelci železa so zaradi povečane reaktivnosti in biološke koristnosti dodelani visokoenergijskim pijačam;
•
Aluminijevi silikati se uporabljajo za preprečitev zlepljanja v procesu pridelave hrane v prašni obliki.
•
Nanotehnologi so razvili užitne nanoprevleke z debelino 5nm, ki so povsem prosojne za človeško oko. Te
prevleke se lahko nanašajo na meso, sire, sadje in zelenjavo, da se prepreči izguba vlage in zmanjša vpliv
ozračja. So tudi nosilke barv, okusa, vsebujejo antioksidante, encime in podaljšajo življenjsko dobo izdelka, tudi
po tem, ko je bila vidna embalaža odprta. V prehrani se znajde veliko delcev tudi kot posledica obrabe orodij pri
pridelavi hrane in zaradi onesnaženega okolja med pridelavo. Povsem vsakdanje brušenje noža, proizvede
veliko količino nanodelcev v ozračju. Nekatere nanodelce lahko tudi jemo, a ti dokaj hitro pridejo v stik s slino
in želodčno sluznico ter jih telo praviloma lažje izloči kot tiste, ki se z vdihavanjem nabirajo v pljučih in niso
biološko razgradljivi
debelina človeškega
lasu potem, ko bi ga podolgem razcepili na 80.000 nitk.
Glavna orodja nanotehnologije in
nekatere možnosti njihove uporabe*
nanopore (nosilci zdravil oziroma aktivnih snovi v reverzibilnih baterijah),
nanocevke (nova generacija maziv, ojačitvena vlakna),
nanodelci (samočistilni premazi,zaščitni premazi, barve),
nanokristali (keramika, prikazalniki na poljsko emisijo),
nanovlakna (tekstil, neprebojne tkanine),
Ogljikove
nanocevke so
bile odkrite
leta
1991 in so
takoj
vzbudile
široko
paleto
napovedi
možne
uporabe.
nanovrste (senzorika, sončne celice),
nanoelektronika (tranzistor na tunelski efekt),
nanotipala (mikroskopija, biosenzorika),
nanoročice (detekcija razstreliv),
nanolupine (prenos zdravilnih učinkovin),
nanotrakovi (električni prevodniki),
nanokompoziti (samomazalne prevleke, sončne celice, umetne mišice) itd.
Razvoj novih orodij in njihove uporabe je silovit. Vedno več je tudi
predvidevanj, da se bodo v prihodnosti pojavile povsem drugačne rešitve
v nanoelektroniki, shranjevanju informacij, pridobivanju energije na
osnovi bioloških procesov itd.
Nanomedicina
Nanorobotki, ki bi jih preprosto vbrizgali v kri in bi sami našli
obolela mesta, postavili diagnozo, pozdravili okvaro in potem še
nadzorovali, da se bolezen ne bi ponovila, so sanje nanomedicine.
Razvoj nanodelcev kot nosilcev zdravilnih učinkovin ali kot
senzorjev sprememb v organizmu spada v uresničljivi del teh
sanj.
Nanodelci so zaradi izjemne majhnosti zelo uporabni v onkologiji, za
zdaj zlasti pri slikanju in diagnostiki, saj povečajo kontrast na
slikah tumorjev, posnetih z jedrsko magnetno resonanco ali z
rentgenskim slikanjem.
Za zgodnje odkrivanje raka so v razvoju senzorji, ki delujejo na
osnovi nanomaterialov.
Gre za drobne nitke ali cevke, ki se zaradi vezave na določene
molekule upognejo. Z merjenjem tega upogiba bi bilo mogoče
odkriti rakave spremembe že na celični ravni.
Izvor nanodelcev in kje jih*
najdemo:
• naravni: erozija, puščavski prah, vulkanski izbruhi,
virusi;
• proizvedeni:
− namensko proizvedeni:
–
–
–
–
–
kozmetika,
hrana,
detergenti,
tekstil,
zaščitne vodoodbojne prevleke;
− nenamensko proizvedeni:
• stranski produkt pri industrijski proizvodnji (mletje,
varjenje,
brušenje, gradbeništvo, tehnologije razpršil;
• izgorevanje biomase in fosilnih goriv;
• izpuh motorjev z notranjim izgorevanjem, še zlasti
dizelskih motorjev.
Posebne lastnosti nanodelcev:
•
•
•
•
povečana kemična aktivnost,
spremenjene fizikalne lastnosti,
velika površina glede na maso,
lebdenje v zraku; zaradi termične energije
dosegajo hitrosti do več metrov na
sekundo in trkajo z molekulami zraka,
• številčnost nanodelcev v cm3:
– pisarna: 1.104 − 4.104 (deset do štirideset
tisoč),
– varjenje: 4.106 (4 milijoni),
– brušenje: 2.105 (dvesto tisoč),
– izdih kadilca: > 1.108 (sto milijonov).
Zakaj je velikost tako pomembna?*
• 70 nm delci prodrejo v pljučne
mešičke.
• 50 nm delci prodrejo v celice.
• 30 nm delci prodrejo v celično
jedro.
• ni podatkov o potovanju delcev, ki
so manjši od 20 nm.
Kaj se zgodi, če nanodelci pridejo
v živ organizem?*
• V človeško telo lahko delci pridejo skozi kožo,
prebavila in predvsem dihala.
• Na vse tri načine lahko pridejo v krvni obtok, ki
jih raznese po vsem telesu.
• Vse več je izsledkov, da lahko nanodelci iz
krvnega obtoka ali prek živčnih poti zaidejo tudi v
možgane.
• Povečane koncentracije nevrodegenerativnih
bolezni v okoljih, obremenjenih z visokimi
koncentracijami ultrafinih prašnih delcev, kažejo
na možnost vpliva teh delcev v ozračju na razvoj
nekaterih obolenj, kot sta npr. Parkinsonova in
Alzheimerjeva bolezen.
Ali veste …
• pri zgorevanju navadne sveče pride
do sproščanja nanodelcev z
velikostjo do 30 nanometrov.
Skupki nanodelcev ogljika, ki nastajajo
pri zgorevanju.
Ali veste …
• … da naj bi pri gorenju vseh goriv, ki vsebujejo
ogljik (npr. biomase, fosilna goriva), prihajalo do
popolne oksidacije ogljika v ogljikov dioksid.
• Vendar popolne oksidacije v praksi ni, del ogljika
ostane neoksidiran in se združuje v zelo majhne
skupke z velikostjo okrog 10 nanometrov.
• Ti skupki se nato združujejo v nekoliko večje, do
100 nanometrov, in se izločajo v okolje okrog
kurišča.
• Vsakih dodatnih 10 μg ogljika v m3 zraka za en
odstotek poveča smrtnost zaradi bolezni srca.
Ali veste …
… da pri uporabi pirotehnike in
razstreliv, uporabljenih v rudarstvu,
gradbeništvu, pri
vojaških vajah in vojaških operacijah
nanodelci
dobijo veliko hitrost vstran od središča
eksplozije, kar jih med seboj oddalji in
prepreči
združevanje in s tem ohranja njihovo
povečano kemično aktivnost.
Ali veste …
… da je poleg gorenja največji onesnaževalec ozračja z nanodelci
promet.
Večina delcev v izpuhu avtomobilov ima velikost pod 100 nm,
velik del celo pod 10 nm.
Živeti v bližini prometnic ni zdravo ravno zaradi ogljika.
Dizelski motorji so veliki onesnaževalci ozračja z nanodelci.
Pri bencinskih motorjih je manj nanodelcev in manj
nenasičenih strupenih dušikovih oksidov,
medtem ko je prednost dizelskih motorjev ta, da proizvajajo
manj ogljikovega dioksida.
Računalniška simulacija
lotusovega površja
in kapljica vode na katero se je nalepila
.
umazanija
•
•
Lotusov list
Najlepši primer hidrofobne površine v naravi je lotosov list, ki je izredno
hidrofoben
oz. skoraj že superhidrofoben.
Čeprav raste v blatnem ribniškem okolju je vedno čist, saj se umazanija
ponavadi v obliki vodnih raztopin sploh ne prime na površino.
Kontaktna površina z listom je samo od 2 do 3% površine dežne kaplje. Zato
da se list čisti sam je kriv hidrofoben zgornji sloj na listu in sama sestava
lotusovega lista.
Ta ima obliko igličastega sloja-površino pokrivajo strukture, ki imajo obliko
hribčka in so visoke in široke okoli 10μm. Na teh igličastih strukturah pa
se nahajajo še od nekaj nanometrov
do enega mikrometra velike cevaste tvorbe iz hidrofobnega materiala. Taka
površina kapljici ne ponuja nobenega dobrega oprijemališča zato se
kapljica odkotali z nje in
pri tem nase prilepi umazanijo z lista.
Čeprav je fenomen lotosovega list znan in čaščen v Aziji že preko 200 0 let sta botanika C. Neinhuis in W. Barthlott šele v
70-desetih ugotovila posebno sestavo lotosove površine. V zadnjih desetletjih se ta koncept uporablja tudi pri
razvijanju materialov s hidrofobni mi lastnostmi.
FOTOSINTEZA!
Nanotehnologija
• proizvodna tehnologija, s katero
dosežemo izredno natančnost in
ultramajhne dimenzije.
• Nanotehnologija nam omogoča
izdelavo materialov ali naprav, ki
so lažje, hitrejše, močnejše, ki
imajo popolnoma nove ali pa
dodatne, specifične lastnosti.
Nanomateriali v površinski
obdelavi lesa
nanoaditivi
• boljša odpornost na abrazijo,
• odpornost na zlepljanje,
• odpornost na kemikalije,
• hitrejše sušenje
• in hitrejše utrjevanje.
nanooksidi za zaščito lesa pred UV žarki;
• nano TiO2,
• nano ZnO, …
• izboljšanje transparentnosti, stabilnosti, učinkovitosti in
zniževanja stroškov proizvodnje.
• Z uporabo različnih nanodelcev bi tako dosegali različne
efekte in izboljšave lastnosti ob znatno zmanjšani količini
delcev in večji stabilnosti sistema.
• Kemično vezani nanodelci tudi ne morejo predstavljati
nikakršne nevarnosti za ljudi.
NEVARNOSTI
NANOTEHNOLOGIJ
• Nevarnost nano delcev narašča s padanjem njihove
velikosti. Najnevarnejši so prosti nanodelci velikosti pod
50 nm, ker zlahka prodrejo skozi celično steno.
• uporaba je do neke mere lahko problematična za same
proizvajalce, ki take materiale vgrajujejo v premaz, zaradi
varovanja zaposlenih v delovnem okolju.
• Ko pa so nanodelci vgrajeni v premaz v večini primerov ne
bi smelo biti kakih nepredvidljivih posledic za uporabnike
premazov, saj so nanodelci v premazu vezani na polimerne
matrice in ni verjetno, da bi se v dobi uporabe lahko
sproščali v okolje v neaglomerirani obliki.