В бъдеще нанотехнологиите могат да играят значителна роля при решаването на много проблеми, свързани с опазването на околната среда. Става дума преди всичко за използването на наноустройства в системи за изследване и контрол на продукти и отпадъци от различни химически индустрии, за създаване на нови „чисти“ технологии с минимално отделяне на вредни производствени отпадъци, както и за рециклиране. отпадъци в сметища и почистване на замърсени водни тела. В бъдеще се планира да се извършва непрекъснат мониторинг и обработка на големи площи от околната среда, за да се почистят от много малки частици замърсители, съдържащи се във водата (размер< 300 нм) и в воздухе (< 20 нм).
Необходимо е също така да се вземе предвид, че самите наноструктурирани материали могат да причинят замърсяване на околната среда, което застрашава човешкото здраве. Замърсяването може да бъде свързано със съществуваща технология (например наночастици в дизеловите отработени газове) или с нови вещества или технологични процеси. В много случаи нанотехнологиипредставляват нови производствени процеси и техните потенциални опасности за околната среда трябва да бъдат внимателно оценени.
Сложните физикохимични процеси, включващи наноструктури, играят важна роля в много явления, които определят изолирането, освобождаването, мобилността и бионаличността на различни вещества (полезни и вредни) в околната среда. Микропроцесите, възникващи на границите между естествените физически и биологични системи, определят различни проблеми в медицината и биологията. Изучаването на динамиката на специфичните за наноструктурите процеси в природните системи не само ще ни позволи да разберем механизмите на пренос и биологично усвояване на веществата, но и да ги използваме за подобряване на екологичната ситуация.
Голямо разнообразие от естествено срещащи се наночастици и наноструктурирани вещества присъстват в атмосферата, геоложките скали, водната среда и биологичните системи, но тяхното въздействие върху човешкото здраве все още не е систематично проучено. В някои случаи (например с кварцови и азбестови влакна) са открити вредни ефекти от наночастиците, в други потенциалните опасности изглеждат незначителни. Освен това трябва да се има предвид, че аерозолите от наноразмерни частици постоянно участват в различни атмосферни физикохимични процеси.
Нанотехнологии
вече са имали значително въздействие върху много индустрии, свързани с околната среда и енергията. Някои примери за такива технологии са дадени по-долу.
Намалете производствените отпадъци и увеличете енергийната ефективност.
Най-забележителните успехи са постигнати в разработването на нови методи за катализа, където използването на реагенти с нано размери в много случаи е направило възможно драстично повишаване на ефективността на каталитичните реакции (скорост, добив) както в хомогенни, така и в хетерогенни системи . Използването на наноразмерни материали (например аерогел или ксерогел V205) в катодите на литиевите батерии значително увеличава техния капацитет, експлоатационен живот и скорости на зареждане/разреждане.
Екологични композитни материали
Съвместимостта на композитните материали с наномащабни чужди включвания отваря възможността за производство на висококачествени материали за специални цели (например за филтриращи системи). Въз основа на такива композити е възможно да се създадат системи, характеризиращи се с повишена устойчивост на влияния на околната среда, дълъг експлоатационен живот, ниски разходи за поддръжка и ремонт и ниско въздействие върху околната среда. Въз основа на тях е възможно да се произвеждат леки и малки конструкции и устройства, характеризиращи се с ниска консумация на енергия. Композитните наноматериали се характеризират с голямо структурно разнообразие и могат да бъдат много прости (стомана с включвания на оксиди или нитриди) или много сложни (хетерогенни композити с предварително определена, силно функционална структура).
Рециклиране
Наноструктурираните материали се използват все повече в процесите на обработка и изхвърляне на отпадъци, от окисляването на органични замърсители с помощта на частици TiO до свързването на атоми на тежки метали с наномащабни абсорбери. В много случаи активираните от радиация частици (в разтвори или аерозоли) могат да се използват като окислители. Наскоро беше открито, че частиците TiO с нано размери, изложени на ултравиолетово лъчение, могат да пречистят въздуха от различни замърсители, включително опасни органични съединения, клетки, вируси и токсични химикали. Наноразмерните частици, след подходящо химическо третиране на тяхната повърхност (образуване на производни съединения) с лиганди или реагенти, могат ефективно да свързват атоми на тежки метали или да пасивират замърсени повърхности. Освен това се предполага, че нанотехнологиище позволи процесите на химично производство да бъдат организирани по такъв начин, че по време на тях да се генерират по-малко отпадъци. Повърхностната химия е изследване на материали със специално проектирани наноструктурирани повърхности, които ще позволят протичането на необходимите реакции, като същевременно произвеждат минимално количество отпадъци.
Преобразуване на енергия
Процесите, свързани с производството на енергия (включително директното производство на електрическа енергия и извличането на гориво за транспортиране), причиняват непоправима вреда на околната среда. Наносистемите могат да формират основата на производството на енергия, базирано на възобновяеми енергийни източници, чиято работа произвежда много по-малко вредни отпадъци. Пример е гореспоменатото използване на наномащабни или мезомащабни материали в електроди на батерии или горивни клетки за превозни средства.
Растенията са по-уязвими към токсични наночастици, ако родителите им са отгледани в замърсена почва, според ново проучване, публикувано в NanoImpact. Резултатите подчертават значението на подобряването и разширяването на изследванията върху ефектите на наноматериалите върху растенията.
В друга статия, публикувана в NanoImpact, учените предупреждават, че познанията ни за рисковете за селското стопанство, свързани с използването на нанотехнологии и въздействието на наноматериалите върху растенията, по-специално върху хранителните култури, не са достатъчни и е време да ги преосмислим.
Нанотехнологичната индустрия продължава да се развива с бързи темпове. Тя се основава на използването на миниатюрни частици с размер една милиардна от метъра за голямо разнообразие от технологични приложения – от слънцезащитни продукти до батерии.
Наночастиците се използват в хиляди търговски продукти, което прави невъзможно спирането на натрупването им в околната среда. Въпреки това, за разлика от много други материали, те могат да бъдат силно реактивни и да имат уникално въздействие върху здравето и безопасността на хората и околната среда.
Една важна крайна точка за наночастиците са земеделските почви. Наночастиците се пренасят в почвата чрез напояване и торене от пречиствателни станции за отпадни води. Поради това културите могат да бъдат подложени на повишено излагане на наночастици в почвата, в която растат.
Нещо повече, нанотехнологията има потенциала да революционизира селското стопанство по същия начин, по който революционизира медицината и комуникациите, така че изследователите трябва да разберат как тя засяга не само растенията, които се отглеждат в момента, но и бъдещите поколения култури.
„Трябва да проучим ефектите на наночастиците върху растежа на растенията сега“, каза д-р Джейсън С. Уайт от Земеделската експериментална станция в Кънектикът, САЩ, който е един от учените, призоваващи за повече изследвания. „Всяка технология има както рискове, така и ползи, и дори в случаите, когато ползите могат да бъдат огромни, рисковете трябва да бъдат внимателно проучени за ефектите на наночастиците върху множество поколения растения.“
Д-р Ма от Тексаския университет A&M и други изследователи са изследвали ефектите на наночастиците от цериев оксид върху здравето на растенията и добива в три поколения растения – за първи път е направено такова цялостно проучване. Те отглеждат три поколения растения Brassica rapaв почва, замърсена с цериев оксид, и изследва ефекта на наночастиците върху растежа и възпроизводството на растенията. Техните резултати показват, че такова излагане намалява качеството на семената и следващите поколения растения страдат и добивите намаляват. Следващите поколения също показват повече признаци на стрес от техните „родители“ при същите условия на отглеждане.
„Нашето проучване значително разширява разбирането за взаимодействията растения-наночастици и ефектите на наночастиците върху културите в сравнение с повечето предишни проучвания“, каза д-р Ма.
Веществата, създадени на тяхна основа, се наричат наноматериали, а методите за тяхното производство и използване - нанотехнологии. С просто око човек може да види обект с диаметър приблизително 10 хиляди нанометра.
Алманах „Разбиране на нанотехнологиите“ Разбиране на нанотехнологиите отбелязва, че въпреки факта, че терминът „нанотехнологии“ стана много популярен през последните години, дори хората, които подкрепят развитието на този клон на науката и технологиите, често имат много груба представа за за какво говорим. Показателно е, че думата „нанотехнология“ не се появява в академичния речник на American English Webster Dictionary от 1966 г., въпреки факта, че изследванията в наносферата са били проведени доста дълго време дотогава.
САЩ отделиха значителни бюджетни средства за развитието на нанотехнологиите за първи път при президента Бил Клинтън. В реч, обявяваща този факт (направена през 2000 г.), Клинтън обясни, че нанотехнологиите позволяват да се създаде от парче вещество с размерите на кубче захар материал, който е десет пъти по-здрав от стоманата. Това определение сега се възприема като вулгарно и изключително примитивно, но няма гаранция, че сегашните дефиниции на нанотехнологиите няма да остареят в обозримо бъдеще и няма да изглеждат като кошмарен анахронизъм. Вероятно най-голям шанс за оцеляване дава определението, дадено от Рита Колуел, директор на Националната научна фондация на САЩ: „Нанотехнологиите са врата към друг свят“.
Глобалните разходи за нанотехнологични проекти сега надхвърлят 9 милиарда долара годишно. Сега Съединените щати представляват приблизително една трета от всички глобални инвестиции в нанотехнологиите. Други големи играчи в тази област са Европейският съюз и Япония. Изследванията в тази област се провеждат активно и в страните от бившия СССР, Австралия, Канада, Китай, Южна Корея, Израел, Сингапур, Бразилия и Тайван. Прогнозите показват, че до 2015 г. общият брой на служителите в различните сектори на нанотехнологичната индустрия може да достигне 2 милиона души, а общата стойност на стоките, произведени с помощта на наноматериали, ще бъде най-малко няколкостотин милиарда долара и вероятно ще доближи 1 трилион долара.
Нанотехнологиите обикновено се разделят на три вида. Индустриалното използване на наночастици в автомобилни бои и автокозметика е пример за „инкрементални“ нанотехнологии. „Еволюционните“ нанотехнологии са представени от наномащабни сензори, използващи флуоресцентните свойства на квантовите точки (2 до 10 нанометра в диаметър) и електрическите свойства на въглеродните нанотръби (1 до 100 нанометра в диаметър), въпреки че тези разработки са все още в начален стадий. „Радикалните“ нанотехнологии все още не са се появили; Трябва също така да очакваме сближаване на тези три технологии.
Въпреки това, преходът от лабораторно производство към масово производство е изпълнен със значителни предизвикателства и надеждната обработка на материали в наномащаба по необходимия начин все още е много трудна за икономически реализиране. В момента наноматериалите се използват за производството на защитни и светлопоглъщащи покрития, спортно оборудване, транзистори, светодиоди, горивни клетки, лекарства и медицинско оборудване, материали за опаковане на храни, козметика и облекло. Към дизеловото гориво вече се добавят нанопримеси на базата на цериев оксид, което позволява да се повиши ефективността на двигателя с 4-5% и да се намали степента на замърсяване на отработените газове. През 2002 г. топки за тенис, създадени с помощта на нанотехнологии, бяха използвани за първи път на Купа Дейвис.
Общо американската промишленост и промишлеността на други развити страни сега използват нанотехнологиите в производствения процес на най-малко 80 групи потребителски стоки и над 600 вида суровини, компоненти и промишлено оборудване. В Съединените щати федералните разходи само за нанотехнологични програми и проекти се увеличиха от 464 милиона долара през 2001 г. на 1 милиард долара през 2005 г. Според Изследователската служба на Конгреса Съединените щати планират да отделят 1,1 милиарда долара за тези цели през 2006 г. Други 2 милиарда долара са изразходвани през 2005 г. от американски корпорации за същите цели (нанолаборатории са създадени от такива бизнес гиганти като HP, NEC и IBM, университети и властите на отделните държави).
Безоблачно наното утре
През последните години бяха публикувани много оптимистични прогнози за приложенията на нанотехнологиите. Свойствата на материалите в наномащаба се различават от големите мащаби поради факта, че в наномащаба повърхностната площ на единица обем е изключително голяма. Нанотехнологиите могат коренно да променят методите, използвани в момента в микроелектрониката, оптоелектрониката и медицината. Следователно нанотехнологиите имат наистина гигантски потенциал.
Известният учен Джей Сторс Хол Дж. Сторс Хол, автор на научно-популярната книга „Нанобъдещето: Какво следва за нанотехнологиите“, твърди, че нанотехнологиите радикално ще променят всички области на човешкия живот, на тяхна база могат да бъдат създадени стоки и продукти, чието използване ще революционизира цели сектори Те включват наносензори за идентифициране на токсични отпадъци от химическата и биотехнологичната промишленост, лекарства, химически бойни вещества, експлозиви и патогенни микроорганизми, както и филтри за наночастици и други устройства за пречистване, предназначени да ги премахват или неутрализират в близко бъдеще са електрическите магистрали, базирани на въглеродни нанотръби, които ще провеждат ток с високо напрежение по-добре от медните проводници и в същото време ще тежат пет до шест пъти по-малко. Наноматериалите ще намалят значително цената на автомобилните каталитични преобразуватели вредни примеси, тъй като могат да се използват с 15-20 пъти намаляване на потреблението на платина и други ценни метали, използвани в тези устройства. Има всички основания да се смята, че наноматериалите ще намерят широко приложение в нефтопреработвателната промишленост и в такива нови области на биоиндустрията като геномиката и протеомиката.
Физикът Тед Сарджънт, автор на книгата "Танцът на молекулите" срещу специфични патогени. Рей Кърцвейл, автор на книгата Fantatic Voyage: Live Enough Long to Live Ever, прогнозира, че е възможно да се създадат лекари нанороботи, които са способни да „живеят“ в човешкото тяло, елиминирайки всички щети, които възникват, или предотвратявайки появата им.
Теоретично нанотехнологиите могат да осигурят на човек физическо безсмъртие поради факта, че наномедицината може безкрайно да регенерира умиращи клетки. Списание Scientific American прогнозира, че в близко бъдеще ще се появят медицински устройства с размер на пощенска марка. Ще бъде достатъчно да ги приложите към раната. Това устройство самостоятелно ще направи кръвен тест, ще определи какви лекарства трябва да се използват и ще ги инжектира в кръвта.
Очаква се първите роботи, базирани на нанотехнологии, да се появят още през 2025 г. Теоретично е възможно те да могат да конструират всеки обект от готови атоми. Нанотехнологиите имат потенциала да революционизират селското стопанство. Молекулярните роботи ще могат да произвеждат храна, замествайки селскостопанските растения и животни. Например, теоретично е възможно да се произвежда мляко директно от трева, заобикаляйки междинната връзка - крава. Нанотехнологиите също могат да стабилизират екологичната ситуация. Новите видове промишленост няма да произвеждат отпадъци, които тровят планетата. Невероятни перспективи се откриват и в областта на информационните технологии. Нанороботите са в състояние да съживят мечтата на писателите на научна фантастика за колонизацията на други планети - тези устройства ще могат да създадат върху тях местообитанието, необходимо за човешкия живот. Джош Улф, редактор на Forbes/Wolfe Nanotech Report, пише: „Светът просто ще бъде преустроен. Нанотехнологиите ще разтърсят всичко на планетата.“
Кратка наноистория
Научният историк Ричард Д. Букър отбелязва, че историята на нанотехнологиите е изключително трудна за създаване поради две причини - първо, „размитата“ природа на самата тази концепция. Например, нанотехнологиите често не са „технологии“ в обичайния смисъл на думата. Второ, човечеството винаги се е опитвало да експериментира с нанотехнологиите, без дори да го знае.
Чарлз П. Пул, автор на книгата „Въведение в нанотехнологиите“, дава илюстративен пример: в Британския музей се съхранява така наречената „Чаша на Ликург“ (стените на чашата изобразяват сцени от живота на този велик спартански законодател), изработена от древноримски майстори - съдържа микроскопични частици злато и сребро, добавени към стъклото. При различно осветление чашата променя цвета си - от тъмно червено до светло златисто. Подобни технологии са използвани за създаване на витражи в средновековни европейски катедрали.
Гръцкият философ Демокрит може да се счита за баща на нанотехнологиите. Около 400 г. пр.н.е. Той за първи път използва думата „атом“, която на гръцки означава „неразрушим“, за да опише най-малката частица материя. През 1661 г. ирландският химик Робърт Буле публикува статия, в която критикува твърдението на Аристотел, че всичко на Земята се състои от четири елемента – вода, земя, огън и въздух (философската основа на тогавашната алхимия, химия и физика). Бойл твърди, че всичко се състои от "корпускули" - ултра-малки части, които в различни комбинации образуват различни вещества и предмети. Впоследствие идеите на Демокрит и Бойл са приети от научната общност.
Вероятно за първи път в съвременната история нанотехнологичен пробив е постигнат от американския изобретател Джордж Ийстман (по-късно основал известната компания Kodak), който произвежда фотолента (това се случва през 1883 г.).
1905 г Швейцарският физик Алберт Айнщайн публикува статия, в която доказва, че размерът на една захарна молекула е приблизително 1 нанометър.
1931 г Германските физици Макс Кнол и Ернст Руска създадоха електронен микроскоп, който за първи път направи възможно изследването на нанообекти.
1968 г Алфред ЧоАлфред Чо и Джон АртърДжон Артър, служители на научното подразделение на американската компания Bell, разработиха теоретичните основи на нанотехнологиите в повърхностната обработка.
1974 г Японският физик Норио Танигучи въвежда думата „нанотехнология“ в научната циркулация, която предлага да нарича механизми с размер под един микрон. Гръцката дума "нос" означава "гном" и се отнася до милиарди части от едно цяло.
1981 г Германските физици Герд Биниг и Хайнрих Рорер създадоха микроскоп, способен да показва отделни атоми.
1985 г Американските физици Робърт Кърл Робърт Кърл, Харолд Крото Харолд Крото и Ричард Смоли Ричард Смоли създадоха технология, която прави възможно точното измерване на обекти с диаметър от един нанометър.
1986 г Нанотехнологиите станаха известни на широката общественост. Американският футурист Ерик Дрекслер Ерик Дрекслър публикува книга, в която прогнозира, че нанотехнологиите скоро ще започнат активно да се развиват.
1989 г Donald EiglerDonald Eigler, служител на IBM, изложи името на своята компания с ксенонови атоми.
1993 г В Съединените щати започна да се присъжда наградата „Файнман“, която носи името на физика Ричард П. Файнман, който през 1959 г. произнася пророческа реч, в която заявява, че много научни проблеми ще бъдат решени само когато учените се научат да работят на атомно ниво. През 1965 г. Файнман е удостоен с Нобелова награда за изследванията си в областта на квантовата електродинамика, сега една от областите на нанонауката.
1998 г Холандският физик Seez Dekker създаде транзистор, базиран на нанотехнологии.
1999 г Американските физици Джеймс Тур Джеймс Тур и Марк Рийд Марк Рийд установиха, че отделна молекула може да се държи по същия начин като молекулярните вериги.
2000 година. Администрацията на САЩ подкрепи създаването на Националната нанотехнологична инициатива. Нанотехнологичните изследвания са получили държавно финансиране. Тогава от федералния бюджет бяха отпуснати 500 милиона долара.
2001 г. – Марк А. Ратнър, автор на книгата „Нанотехнологии: Нежно въведение в следващата голяма идея“, смята, че нанотехнологиите са станали част от човешкия живот през 2001 г. Тогава се случиха две значими събития: влиятелното научно списание Science нарече нанотехнологиите „пробивът на годината“, а влиятелното бизнес списание Forbes я нарече „нова обещаваща идея“. В наши дни изразът „нова индустриална революция” периодично се използва по отношение на нанотехнологиите.
Фантомната заплаха
Историята неопровержимо показва, че едва ли всички полезни изобретения и научно-технически разработки не само допринасят за развитието на икономиката, но и излагат човечеството на нови и понякога трудно предвидими опасности.
През 2004 г. Credit Suisse First Boston публикува аналитичен доклад за бъдещето на нанотехнологиите. В него се посочва, че нанотехнологията е класическа „технология с общо предназначение“. Други технологии с общо предназначение - парни двигатели, електричество и железопътни линии - станаха основа за индустриалните революции. Иновации от този вид обикновено започват като много груби технологии с ограничени случаи на употреба, но след това бързо се разпространяват в други области на живота. Това започва „процеса на творческо унищожение“ (процес, при който нова технология или продукт предоставя нови възможности и по-добри решения, което води до пълна замяна на предишната технология или продукт, тъй като електричеството замени парата, а електронната поща замени телеграфа) . В близко бъдеще творческото унищожение не само ще продължи, но и ще се ускори, а нанотехнологиите ще бъдат в основата му. Заключение: „Повечето от компаниите, изброени в текущия Dow Jones Industrial Average, вероятно няма да бъдат там след двадесет години.“
Ерик Дрекслър Ерик Дрекслър, основател и ръководител на изследванията на Foresight Institute, автор на книгата „Engines of Creation“, подчертава, че днес купувачът на промишлен продукт плаща за неговия дизайн, материали, труд, производствени разходи, транспорт, съхранение и продажба организация. Ако нанофабриките могат да произвеждат широка гама от продукти по всяко време и навсякъде, повечето от тези операции ще станат ненужни. Следователно не е известно как нанопроизводството ще се отрази на цените и нивата на безработица. Гъвкавостта на нанотехнологичното производство и способността да се произвеждат радикално по-добри продукти означава, че конвенционалните продукти няма да могат да се конкурират с продуктите на нанофабриките в много области. Ако технологията на нанофабриките е собственост или се контролира от която и да е организация, това може да доведе до „нова монополизация“.
Центърът за отговорни нанотехнологии прогнозира, че нанотехнологичните продукти ще бъдат изключително ценни според днешните стандарти. Монополът ще позволи на собствениците на технологии да определят високи цени за всички продукти, за да направят големи печалби. Това обаче означава, че милиони нуждаещи се хора няма да имат достъп до жизненоважна, евтина технология. С течение на времето конкуренцията ще намали цените, но в началото е вероятно монопол. Освен това „бедните“ страни по света нямат капацитет да финансират наноизследвания. Също така е малко вероятно да бъде позволено да съществува нерегулиран търговски пазар за нанотехнологии.
Има и други аспекти на проблема. Терористите и престъпниците, които получават достъп до нанотехнологиите, могат да причинят значителни щети на обществото. Химическите и биологичните оръжия ще бъдат по-опасни и ще бъде много по-лесно да ги скриете. Ще могат да се създават нови видове оръжия за убиване от разстояние, които ще бъдат много трудни за откриване или неутрализиране. Залавянето на престъпник след извършване на подобно престъпление също ще стане по-трудно. От друга страна, държавата ще получи нови възможности. Теоретично е възможно да се създадат много малки, евтини суперкомпютри, които могат да изпълняват скрити, текущи програми за наблюдение на населението. Огромен брой устройства за наблюдение могат да бъдат произведени на сравнително скромни разходи. Със способността да се изграждат милиарди сложни устройства на обща цена от няколко долара, всяка автоматизирана технология, която може да се приложи към един човек, може да се приложи към всички. Всеки сценарий за физически или психологически контрол с помощта на екстремните възможности на нанотехнологиите ще изглежда научна фантастика и неправдоподобен.
Новите неща и промените в обичайния начин на живот могат да доведат до разхлабване на основите на обществото. Например, медицински устройства, които позволяват сравнително лесно да се модифицира структурата на мозъка или да се стимулират определени части на мозъка да произвеждат ефекти, които имитират всяка форма на умствена дейност, могат да станат основа за „пристрастяване към нанотехнологиите“.
Нанотехнологиите също имат светло военно бъдеще. В момента военните изследвания в света се извършват в шест основни области: технологии за създаване и противодействие на „невидимостта“, енергийни ресурси, системи за самовъзстановяване (например, позволявайки ви автоматично да ремонтирате повредена повърхност на резервоар или самолет или да промените неговия цвят), комуникации, както и устройства за откриване на химически и биологични агенти. Още през 1995 г. Дейвид Е. Джеремая, бивш член на Обединения комитет на началник-щабовете, заяви: „Нанотехнологиите имат потенциала да променят радикално баланса на силите, повече дори от ядрените оръжия.“
Възможно е да си представим устройство с размерите на най-малкото насекомо (около 200 микрона), способно да намира незащитени хора и да ги инжектира с отрови. Смъртоносната доза ботулинов токсин е 100 нанограма или около 1/100 от обема на цялото устройство. 50 милиарда такива оръжия - достатъчно, за да убият всеки човек на Земята - могат да се съхраняват в куфар. Огнестрелните оръжия ще станат много по-мощни - и куршумите ще станат самонасочващи се. Аерокосмическата технология може да бъде много по-лека и по-добра, направена с малко или никакъв метал, което я прави много по-трудна за откриване от радар. Вградените компютри ще ви позволят да активирате всякакъв вид оръжие от разстояние, а по-компактните източници на енергия значително ще подобрят възможностите на бойните роботи.
Анализаторът Том Маккарти, автор на статията „Молекулярните нанотехнологии и световната система“, твърди, че нанотехнологиите ще помогнат за намаляване на нивото на икономическо влияние на отделните държави. По време на военни операции армиите ще предпочетат да унищожават хора, а не военно оборудване или промишлени предприятия. Нанотехнологиите ще направят възможно организирането на промишлено производство дори в региони, където няма минерални ресурси. Те ще направят малки групи напълно самодостатъчни, което може да допринесе за разпадането на държавите.
Оценка на риска
Съединените щати и други страни се опитват да оценят риска от използването и подобряването на нанотехнологиите. В Съединените щати обаче финансирането за анализ на потенциални заплахи от използването на наноматериали все още е много малко.
Според оценки на експерти от Проекта за нововъзникващи нанотехнологии, общата им сума е едва 39 милиона долара - тоест само 4% от всички средства за нанотехнологии, идващи от федералната хазна. Броят на проектите, за които се отпускат тези средства, също е доста скромен - около 160.
На изслушване на Научната комисия към Камарата на представителите на САЩ, представители на екологични движения и индустриални корпорации единодушно заявиха, че разходите за изясняване на екологичните и медицинските аспекти на използването на наноматериали трябва да възлизат на 10 до 20 процента от всички държавни разходи за нанотехнологии .
Това състояние на нещата вече предизвика много тревожни предупреждения от експерти. Наночастиците лесно проникват в човешкото и животинското тяло през кожата, дихателната система и стомашно-чревния тракт. Сега няма съмнение, че някои нанообекти могат да имат токсичен ефект върху клетките на различни тъкани. По-специално, въглеродните нанотръби, които се считат за един от най-обещаващите наноматериали в близкото бъдеще, имат такъв ефект.
Ситуацията се усложнява от факта, че много наноструктури се произвеждат по повече от един начин. Това обстоятелство увеличава обхвата на рисковете, пред които могат да се изправят или вече са изправени работниците в нанотехнологичната индустрия. От друга страна, това дава основание да се предположи, че външно едни и същи нанопродукти, произведени по различни технологии, ще имат различно въздействие върху хората и околната среда.
През декември 2004 г. Съветът за научна политика към Агенцията за опазване на околната среда на САЩ създаде работна група от експерти, натоварени да изготвят Бяла книга за опасностите от нанотехнологиите. Точно една година по-късно беше публикувана чернова на този документ.
Авторите на проекта Бяла книга започват с дефиниране на обекта на своя анализ. Те определят нанотехнологиите като „изследвания и разработки на атомно, молекулярно и макромолекулно ниво в размер от един до сто нанометра създаване и използване на изкуствени структури, устройства и системи, които поради ултрамалките си размери имат значително; нови свойства и функции; манипулиране на материята в мащаб на атомно разстояние." Това определение е достатъчно широко, за да включва не само съществуващите материали и продукти, но и онези системи, които ще се появят едва след десет до двадесет години.
Към днешна дата обаче информацията за последствията от неконтролираните изпускания на наночастици в околната среда остава доста оскъдна. Авторите на проекта Бяла книга подчертават необходимостта от запълване на тези информационни пропуски възможно най-бързо. Те подчертават, че сериозното изследване на поведението на наночастиците в околната среда е започнало едва наскоро. Известно е например, че наночастиците могат да се натрупват във въздуха, почвата и отпадъчните води, но науката все още не разполага с достатъчно данни, за да моделира точно подобни процеси. Наночастиците могат да бъдат унищожени от светлина и химикали, както и от контакт с микроорганизми, но тези процеси все още не са добре разбрани. Наноматериалите, като правило, претърпяват химически трансформации по-лесно от по-големите обекти със същия състав и следователно са способни да образуват сложни съединения с неизвестни преди това свойства. Това обстоятелство увеличава технологичните перспективи на нанообектите и в същото време ни принуждава да обърнем специално внимание на рисковете, свързани с тях.
Друга слабо проучена област са последиците от контакта на наночастиците с живи клетки и тъкани. Няма съмнение, че много наноматериали имат токсични ефекти. Например вдишването на наночастици от полистирен не само причинява възпаление на белодробната тъкан, но също така провокира тромбоза на кръвоносните съдове. Има доказателства, че въглеродните наночастици могат да причинят сърдечни заболявания и да потиснат активността на имунната система. Експерименти с аквариумни риби и кучета показват, че фулерените, многоатомни сферични въглеродни молекули с диаметър няколко нанометра, могат да разрушат мозъчната тъкан. Проникването на наночастици в биосферата е изпълнено с много последствия, които все още не могат да бъдат предвидени поради липса на информация.
Авторите на Бялата книга горещо препоръчват ускоряване на широкомащабни изследвания, насочени към изясняване на опасностите и рисковете, свързани със замърсяването на околната среда с наночастици. По-конкретно, необходимо е да се установи по какви начини протича биоразграждането на наночастиците и как то се отразява на екологичните вериги в живата природа.
Кларънс Дейвис стигна до подобни заключения. Кларенс Дейвис, научен сътрудник в Центъра Удроу Уилсън, автор на доклада „Управление на ефекта от нанотехнологиите“. Той отбелязва, че нанотехнологиите са „нова реалност“, която все още не подлежи на държавно регулиране. Изключително трудно е да се използват съществуващите закони за тази цел. Ето защо е необходимо спешно да се създаде принципно ново законодателство, нови механизми и регулаторни институции (включително международни) - в противен случай духът може да избяга от бутилката и последствията от това могат да бъдат най-неприятни.
По време на конференция, посветена на проблемите на биобезопасността на нанотехнологиите, учени предложиха правителството да приеме определени разпоредби за контрол на продуктите на наноиндустрията.
Правителствата на много страни днес организират специални конференции и отделят значителни суми пари за изследване на въздействието на нанотехнологиите върху околната среда.
Един от въпросите, задавани както от учените, така и от обикновените хора, особено жителите на мегаполисите, е въздухът, който вдишваме. Не е тайна, че наличието на огромен брой заболявания, хронични бронхити и астма, включително вродени случаи на това заболяване, се обясняват с токсични и замърсени емисии в атмосферата от промишлени предприятия и домакински уреди.
В тази връзка учените провеждат изследвания върху поведението на наночастиците в атмосферата и последствията от вдишването им от хората. В резултат на експерименти върху лабораторни гризачи беше разкрита висока чувствителност на епителните клетки на дихателната система към наночастици, които се натрупват в носните проходи на опитни животни, причинявайки ринит и други по-тежки заболявания.
Проблемът за въздействието на наноматериалите върху околната среда привлича не по-малко внимание. Така че беше проведено проучване на рисковете за околната среда от пет основни вида наноматериали, включително нанотръби, квантови точки и топки. Изследователите са идентифицирали различни видове рискове от замърсяване за различни процеси, включително производство на лекарства и рафиниране на нефт. Въз основа на получените данни, професорът по околна среда заключава в статията, че създаването на наноматериали крие по-малък риск от текущите индустриални процеси.
Наночастиците, влизащи в почвата, няма да причинят забележима вреда на екосистемата. Проведени са редица експерименти, при които фулерените са поставени в различни видове почви и след това е изследвано поведението им и ефекта им върху микроорганизми и минерали. Фулерените са рамкови сферични полиедри, съставени от правилни петоъгълници и шестоъгълници с въглеродни атоми във върховете. Значителни промени могат да бъдат фатални за елементи от хранителните вериги на растенията. Резултатите от наблюденията обаче показаха, че той не предизвиква никаква отрицателна динамика: микроорганизмите са живи и здрави, балансът на веществата не е засегнат.
Нанотехнологиите, разбира се, допринасят за техническия прогрес на човечеството - учените редовно докладват за нови успехи, които могат да променят живота и ежедневието на хората към по-добро. Наночастиците, разработени с помощта на нанотехнологии, могат да помогнат при лечението на рак, но напротив, някои наночастици могат да причинят рак в човешкото тяло. Наночастиците от титанов диоксид (TiO2), които сега се намират в много храни, се натрупват в тялото и водят до системни генетични увреждания. Наночастиците от титанов диоксид (TiO2) причиняват разкъсвания на едно- и двуверижна ДНК и също водят до увреждане на хромозомите.
Веднъж попаднали в тялото, титановите наночастици се натрупват в различни органи, тъй като тялото няма механизми за тяхното отстраняване. Поради малкия си размер те лесно проникват в клетките и започват да засягат техните елементи.
Мащабът на използване на наночастици в производството на козметика нараства всяка година и според производителите в това няма нищо лошо. Някои еколози заемат различна позиция. Използването на наночастици в козметиката е не по-малко вредно от добавките с арсен и олово, смятат австралийски представители на международната екологична организация Friends of the Earth. Във всички произволно избрани тестови групи от продукти изследователите откриха наночастици.
Нанотехнологиите се използват в козметиката много по-широко, отколкото смятат потребителите. В допълнение към съдържанието на наночастици, седемдесет процента от тестваните продукти съдържат химически подобрители, които улесняват наночастиците да проникнат през кожата в кръвния поток. Много популярни производители и марки козметика не са избягали от обвинения. Наночастици бяха открити в продуктите на Clinic, Lacom, L'Oreal, Max Factor, Revlon, Yves Saint Laurent, въпреки факта, че те не бяха посочени в състава. Но производителят на козметика Christian Dior не само включи наночастици в състава продукти, но и ги посочи в списъка на съставките.
Резултатите от проучването ясно показват опасностите от новата козметика. През 2009 г. Европейският съюз въведе закон, който изисква всички слънцезащитни кремове, съдържащи наноматериали и наночастици, да преминат тестове до 2012 г.
Този случай не е първият път, когато еколози и учени повдигат въпроса за опасността, която могат да представляват съвременните нанотехнологии. По-специално, някои учени смятат, че появата на наночастици в атмосферата в индустриален мащаб може да промени климата на Земята и също така предупреждава за опасностите от яденето на храна, създадена с помощта на нанотехнологии
Американски учени са открили значително количество наночастици в земната атмосфера, което продължава да се увеличава. Според тях наночастиците, отразяващи слънчевите лъчи, могат сериозно да променят климата на планетата, причинявайки нова ледникова епоха.
Според последните наблюдения на американски учени атмосферата на нашата планета вече съдържа значително количество наночастици, които са невидими за окото, но могат да повлияят на метеорологичните процеси.
Броят на наночастиците се увеличава в различни части на света, но защо това се случва остава загадка. Учените изучават въпроса как се образуват наночастиците и как техният брой се увеличава, когато взаимодействат с различни органични изпарения.
Те обаче успяха да открият, че някои видове органични вещества растат бързо в атмосферата. Когато се съберат в големи количества, те отразяват слънчевата светлина обратно в космоса - нещо като обратен парников ефект. Освен това, отбелязват учените, разпространението на наночастици във въздуха може да изостри заболявания като астма, емфизем и други белодробни заболявания.
През март 2008 г. повече от сто учени от цял свят се срещнаха в Швейцария на конференцията nanoECO, за да обсъдят проблемите, свързани с въздействието върху околната среда на синтезираните наночастици. Въпреки че нано-екотоксикологията е млада област на изследване, бяха представени интересни и важни резултати. Разбира се, фокусът беше върху нерешените проблеми: как и в какви количества наночастиците от „нанопродукти” попадат в околната среда; какво ще бъде например нивото на замърсяване на реките и почвата; какви аналитични методи могат да се използват ефективно?
Въпросът за приложимостта на методите на изследване е много важен. Х. Круг в своя доклад подчерта, че данните за токсичността на въглеродните нанотръби (CNTs), заедно с наличните в тях метални примеси (признат ефект), също могат да бъдат повлияни от реагентите, използвани за експерименти инвитро! В този случай изводите за опасностите от нанотръбите могат да се окажат неверни. Следователно, когато се оценява токсичността, е много важно да се характеризират правилно не само самите наноматериали, но и аналитичните методи, използвани в изследванията.
„Зелена“ химия, „зелена“ енергия... Тези термини се появяват в края на миналия век и веднага стават много популярни. През последните години интересът към спестяващите ресурси, щадящи околната среда зелени технологии се е увеличил изключително много, а инвестициите във фирми за зелени технологии непрекъснато нарастват. Докладът на Б. Карн е посветен на “зелените нанотехнологии”. Зелените нанотехнологии, както обяснява авторът, са начин за създаване и използване на наноматериали и нанопродукти без вреда за околната среда и човешкото здраве. По този начин, от една страна, зелените нанотехнологии се отнасят до производството на наноматериали и продукти, използвайки принципите на зелената химия и зелените технологии (което подобрява околната среда по косвен начин), а от друга страна, създаването на нанопродукти, които са пряко участващи в решаването на минали, настоящи и бъдещи проблеми, свързани с опазването на природата и човешкото здраве (например сорбенти за пречистване на отпадъчни или питейни води, нови катализатори, енергийни системи).
Резултатите от компютърното моделиране на транспорта на трите най-разпространени вида наночастици (нано-Ag, нано-TiO 2 и CNTs), представени в доклад на швейцарските учени Б. Новак и Н. Мюлер, се оказаха толкова интересни че те са публикувани изцяло в списание „Environmental Science & Technology“ и са коментирани в юнския брой на Nature Nanotechnology. Нека ги разгледаме по-отблизо.
Наночастиците Ag и TiO 2 са най-широко използвани в потребителските продукти. Смята се, че нано-среброто има антимикробни, противогъбични и други полезни свойства, а нано-TiO2 се произвежда в големи количества за използване в самопочистващи се, противообрастващи, антимикробни покрития и бои и в козметиката като UV абсорбатор (само Австралия има повече 300 регистрирани слънцезащитни продукта, съдържащи наночастици TiO2. Третият изследван наноматериал, въглеродните нанотръби, не се нуждае от представяне на нашите редовни читатели.
Моделът използва следните входни данни: оценки на глобалното производство, концентрации на наночастици в различни продукти, добив на наночастици от продукти и параметри на потоците в околната среда (от инсинератори за отпадъци, депа и/или пречиствателни станции за отпадъчни води) и между нея .зони (въздух, почва, вода). Разгледан е целият цикъл на използване на продуктите, съдържащи наночастици, от производството до обезвреждането. Този тип модел обикновено се използва при определяне на експозицията на химически продукти.
Авторите правят оценка на риска за три екологични зони – вода (реки и езера), въздух, почва в Швейцария (фиг. 1). Бяха разгледани два сценария - реалистичен ( RE – реалистично), въз основа на наличната информация и най-лошия случай ( HE – висока експозиция), въз основа на оценки, предполагащи по-високи концентрации. Резултатите са сравнени със стойности, които според токсикологичните изследвания не предизвикват отрицателни ефекти ( PNEC – предвидена концентрация без ефект). Рискът беше изразен като съотношението на прогнозираната концентрация на PEC в околната среда ( PEC – прогнозирани концентрации в околната среда) към PNEC. Материали, за които това съотношение е по-малко от едно, се считат за безопасни.
Фиг. 1. Възможно разпространение на наноматериали в околната среда (въздух; почва, растителност; почва, покрита с растителност; вода; седименти)
За съжаление е невъзможно да се намери списък на всички продукти, съдържащи наночастици. Много производители не информират за тяхната наличност. Ситуацията вероятно ще се промени към по-добро през следващите години, но засега авторите са използвали параметри за анализ, някои от които са представени в таблица 1.
Таблица 1. Параметри, използвани за моделиране на транспорта на наночастици в Швейцария
| Наночастици | Категория на продукта | % от общото количество | Метод на избор | % | Зона за избор |
| нано-Ag | текстил | 10 | абразия по време на употреба изтриване при пране изхвърляне разграждане |
5 | въздух Почистване на канали горящ боклук жива система жива система жива система |
|
козметика |
25 | използване изхвърляне |
95 | Почистване на канали горящ боклук |
|
| аерозоли чистачи |
15 |
използване изхвърляне абразия |
95 | въздух, отпадъчни води, почва горящ боклук Почистване на канали |
|
| метални изделия | 5 |
изхвърляне разграждане абразия |
47,5 | жива система горящ боклук жива система Почистване на канали |
|
| пластмаси | 10 | изхвърляне разграждане |
50 | горящ боклук жива система почва, отпадъчни води |
|
| разграждане изхвърляне |
45 | жива система площадка за изхвърляне |
|||
| нано-TiO 2 | пластмаси | 2 | абразия изхвърляне |
5 | въздух, отпадни води горящ боклук |
|
козметика |
60 | използване изхвърляне |
95 | отпадъчни води, вода горящ боклук |
|
| покрития | 2 |
използване изхвърляне |
95 | отпадъчни води, въздух горящ боклук |
|
| метали | 1 |
абразия изхвърляне |
5 | отпадъчни води жива система горящ боклук |
|
|
съхранение/ производство на енергия |
10 |
изхвърляне |
25 | горящ боклук жива система |
|
| 25 |
изхвърляне |
50 | отпадъчни води, почва площадка за изхвърляне |
||
| CNT | пластмаси, спорт Оборудване |
50 | абразия изхвърляне |
5 | въздух горящ боклук |
| електроника, батерии | 50 | рециклирам изхвърляне |
40 | жива система горящ боклук площадка за изхвърляне |
|
| износ | 50 | жива система |
Таблица 2Дадени са стойностите на PEC, получени за два сценария (RE и HE).
Таблица 3
| Оценка на риска (PEC/PNEC) в околната среда | ||||||
| Нано – Ag | Нано – TiO 2 | CNT | ||||
| RE | ТОЙ | RE | ТОЙ | RE | ТОЙ | |
| Въздух | не | не | 0,0015 | 0,004 | 1,5x10 -5 | 2,3x10 -3 |
| вода | 0,0008 | 0,002 | >0,7 | >16 | 0,005 | 0,008 |
| Почвата | Но | Но | Но | Но | Но | Но |
Но– не е определен поради липса на екотоксикологични данни
Както се вижда от табл. 2, стойностите на PEC за CNT са най-ниските (въпреки че, разбира се, ситуацията може да се промени в бъдеще с увеличаване на производството). Съдържанието във въздуха е ниско и за трите вида наночастици. Частиците от наносребро и нанотитанов оксид се намират главно във водата и почвата, а съдържанието на нано-Ag е 20–200 пъти по-ниско от нано-TiO 2. CNT практически не попадат във вода.
Въз основа на получените стойности на PEC вече е възможно да се определи кои наночастици представляват най-голям риск и къде (Таблица 3).
Резултатите от моделирането показват, че CNT в момента не представляват риск за околната среда. Основната част от продуктите, съдържащи нанотръби, или преминават в повторен цикъл, или завършват в инсталации за изгаряне на отпадъци, където CNT изгарят почти напълно в присъствието на кислород (температурата в инсталациите е приблизително 850 o C). Но съотношението PEC/PNEC за нано-TiO 2 във водата се доближава до единица или дори повече, което показва наличието на значителен риск.
Разбира се, това са предварителни резултати. Например, трансформацията, разграждането и биоакумулирането на наночастици не се вземат предвид съзнателно, въпреки че тези процеси могат да играят важна роля. Не се вземат предвид емисиите от производствените обекти. Независимо от това, резултатите дават оценка на риска и могат да послужат като отправна точка за последващи изследвания, които освен всичко друго ще отразяват по-пълно специфичните свойства на наночастиците.
- 1. наноЕКО. Наночастици в околната среда. Последици и приложения 2–7 март 2008 г. Centro Stefano Franscini Monte Verità Ascona, Швейцария
- 2.H.F. Krug et al., nanoECO Book of Abstracts 2–7 март, 2008 г., стр.53
- 3. Б. Карн. nanoECO Книга с резюмета 2–7 март, 2008 г., стр.77
- 4. N. Mueller, B. Nowack., Environ. Sci. техн. 42, 4447 (2008)
- 5. М. Шерингер, Nature Nanotechnol., 3, 332 (2008)