I fremtiden kan nanoteknologi spille en væsentlig rolle i løsningen af mange problemer relateret til miljøbeskyttelse. Vi taler først og fremmest om brugen af nanoenheder i systemer til forskning og kontrol af produkter og affald fra forskellige kemiske industrier, om skabelsen af nye "rene" teknologier med minimal frigivelse af skadeligt produktionsaffald, samt om genanvendelse affald på lossepladser og rensning af forurenede vandområder. I fremtiden er det planen at udføre kontinuerlig overvågning og behandling af store områder af miljøet for at rense dem for meget små partikler af forurenende stoffer indeholdt i vand (str.< 300 нм) и в воздухе (< 20 нм).
Det er også nødvendigt at tage højde for, at nanostrukturerede materialer i sig selv kan forårsage miljøforurening, der truer menneskers sundhed. Forurening kan være forbundet med eksisterende teknologi (f.eks. nanopartikler i dieseludstødningsgasser) eller med nye stoffer eller teknologiske processer. I mange tilfælde nanoteknologi repræsentere nye fremstillingsprocesser, og deres potentielle miljøfarer skal vurderes nøje.
Komplekse fysisk-kemiske processer, der involverer nanostrukturer, spiller en væsentlig rolle i mange fænomener, der bestemmer isolering, frigivelse, mobilitet og biotilgængelighed af forskellige stoffer (gavnlige og skadelige) i miljøet. Mikroprocesser, der forekommer i grænsefladerne mellem naturlige fysiske og biologiske systemer, bestemmer forskellige problemer inden for medicin og biologi. At studere dynamikken i processer, der er specifikke for nanostrukturer i naturlige systemer, vil ikke kun give os mulighed for at forstå mekanismerne for overførsel og biologisk assimilering af stoffer, men også bruge dem til at forbedre miljøsituationen.
En lang række naturligt forekommende nanopartikler og nanostrukturerede stoffer er til stede i atmosfæren, geologiske bjergarter, akvatiske miljøer og biologiske systemer, men deres indvirkning på menneskers sundhed er endnu ikke systematisk undersøgt. I nogle tilfælde (f.eks. med kvarts- og asbestfibre) er der fundet skadelige virkninger af nanopartikler, i andre ser de potentielle farer ud til at være mindre. Derudover skal det tages i betragtning, at aerosoler fra partikler i nanostørrelse konstant er involveret i en række atmosfæriske fysisk-kemiske processer.
Nanoteknologi
har allerede haft en betydelig indvirkning på mange miljø- og energirelaterede industrier. Nogle eksempler på sådanne teknologier er givet nedenfor.
Reducer produktionsspild og øg energieffektiviteten.
De mest bemærkelsesværdige succeser er opnået i udviklingen af nye katalysemetoder, hvor brugen af reagenser i nanostørrelse i mange tilfælde har gjort det muligt dramatisk at øge effektiviteten af katalytiske reaktioner (hastighed, udbytte) i både homogene og heterogene systemer . Brugen af materialer i nanostørrelse (for eksempel aerogel eller xerogel V205) i katoderne på lithiumbatterier øger deres kapacitet, levetid og opladnings-/afladningshastigheder markant.
Miljøvenlige kompositmaterialer
Kompositmaterialers kompatibilitet med fremmede indeslutninger i nanoskala åbner mulighed for at fremstille materialer af høj kvalitet til specielle formål (for eksempel til filtreringssystemer). Baseret på sådanne kompositter er det muligt at skabe systemer karakteriseret ved øget modstandsdygtighed over for miljøpåvirkninger, lang levetid, lave omkostninger til vedligeholdelse og reparation og lav miljøbelastning. Baseret på dem er det muligt at producere lette og små strukturer og enheder karakteriseret ved lavt energiforbrug. Sammensatte nanomaterialer er karakteriseret ved stor strukturel diversitet og kan enten være meget enkle (stål med indeslutninger af oxider eller nitrider) eller meget komplekse (heterogene kompositter med en forudbestemt, meget funktionel struktur).
Genbrug
Nanostrukturerede materialer bruges i stigende grad i affaldsbehandling og bortskaffelsesprocesser, fra oxidation af organiske forurenende stoffer ved hjælp af TiO-partikler til binding af tungmetalatomer med absorbere i nanoskala. I mange tilfælde kan strålingsaktiverede partikler (i opløsninger eller aerosoler) anvendes som oxidationsmidler. Det blev for nylig opdaget, at TiO-partikler i nanostørrelse udsat for UV-bestråling kan rense luften for forskellige forurenende stoffer, herunder farlige organiske forbindelser, celler, vira og giftige kemikalier. Partikler i nanostørrelse kan efter passende kemisk behandling af deres overflade (dannelse af derivatforbindelser) med ligander eller reagenser effektivt binde tungmetalatomer eller passivere forurenede overflader. Derudover forudsættes det nanoteknologi vil gøre det muligt at tilrettelægge kemiske produktionsprocesser på en sådan måde, at der genereres mindre affald under dem. Overfladekemi er studiet af materialer med specialdesignede nanostrukturerede overflader, der vil tillade de påkrævede reaktioner at forekomme og samtidig producere en minimal mængde affald.
Energiomsætning
Processer forbundet med energiproduktion (herunder både direkte produktion af elektrisk energi og udvinding af brændstof, der skal transporteres) forårsager uoprettelig skade på miljøet. Nanosystemer kan danne grundlag for energiproduktion baseret på vedvarende energikilder, hvis drift producerer langt mindre skadeligt affald. Et eksempel er den ovennævnte brug af materialer i nanoskala eller mesoskala i batterielektroder eller brændselsceller til køretøjer.
Planter er mere sårbare over for giftige nanopartikler, hvis deres forældre blev dyrket i forurenet jord, ifølge en ny undersøgelse offentliggjort i NanoImpact. Resultaterne fremhæver vigtigheden af at forbedre og udvide forskningen i virkningerne af nanomaterialer på planter.
I et andet papir offentliggjort i NanoImpact advarer forskere om, at vores viden om risiciene for landbruget forbundet med brugen af nanoteknologi og virkningen af nanomaterialer på planter, især fødevareafgrøder, ikke er tilstrækkelig, og det er på tide at genoverveje det.
Den nanoteknologiske industri fortsætter med at vokse i et hurtigt tempo. Den er baseret på brugen af bittesmå partikler, en milliardtedel meter i størrelse, til en lang række teknologiske anvendelser - fra solcreme til batterier.
Nanopartikler bruges i tusindvis af kommercielle produkter, hvilket gør det umuligt at stoppe deres ophobning i miljøet. Men i modsætning til mange andre materialer kan de være meget reaktive og have unikke indvirkninger på menneskers og miljøets sundhed og sikkerhed.
Et vigtigt slutpunkt for nanopartikler er landbrugsjord. Nanopartikler overføres til jorden gennem kunstvanding og gødskning fra spildevandsrensningsanlæg. På grund af dette kan afgrøder blive udsat for øget eksponering for nanopartikler i den jord, de vokser i.
Desuden har nanoteknologi potentialet til at revolutionere landbruget på samme måde, som det har revolutioneret medicin og kommunikation, så forskere skal forstå, hvordan det påvirker ikke kun de planter, der dyrkes i øjeblikket, men også fremtidige generationer af afgrøder.
"Vi er nødt til at undersøge virkningerne af nanopartikler på plantevækst nu," sagde Dr. Jason S. White fra Agricultural Experiment Station i Connecticut, USA, som er en af de videnskabsmænd, der efterlyser mere forskning. "Enhver teknologi har både risici og fordele, og selv i tilfælde, hvor fordelene kan være enorme, skal risiciene undersøges nøje. Der er behov for mere forskning i virkningerne af nanopartikler på flere generationer af planter."
Dr. Ma fra Texas A&M University og andre forskere undersøgte virkningerne af nanopartikler af ceriumoxid på plantesundhed og udbytte på tværs af tre generationer af planter - første gang et så omfattende studie er blevet udført. De dyrkede tre generationer af planter Brassica rapa i jord forurenet med ceriumoxid, og undersøgte nanopartiklers effekt på plantevækst og reproduktion. Deres resultater viste, at en sådan eksponering reducerede kvaliteten af frø og efterfølgende generationer af planter led, og udbyttet faldt. Efterfølgende generationer viste også flere tegn på stress end deres "forældre" under de samme opvækstforhold.
"Vores undersøgelse udvider betydeligt forståelsen af plante-nanopartikel-interaktioner og virkningerne af nanopartikler på afgrøder end de fleste tidligere undersøgelser," sagde Dr. Ma.
De stoffer, der skabes på deres basis, kaldes nanomaterialer, og metoderne til deres produktion og anvendelse kaldes nanoteknologier. Med det blotte øje kan en person se en genstand med en diameter på cirka 10 tusind nanometer.
Almanak "Understanding Nanotechnology" Understanding Nanotechnology bemærker, at på trods af at udtrykket "nanoteknologi" er blevet meget populært i de senere år, har selv folk, der støttede udviklingen af denne gren af videnskab og teknologi, ofte en meget grov idé om hvad vi taler om. Det er betydningsfuldt, at ordet "nanoteknologi" ikke optræder i den akademiske ordbog i American English Webster Dictionary fra 1966, på trods af at forskning i nanosfæren på det tidspunkt havde været udført i temmelig lang tid.
USA afsatte betydelige budgetmidler til udvikling af nanoteknologi for første gang under præsident Bill Clinton. I en tale, der bekendtgjorde denne kendsgerning (lavet i 2000), forklarede Clinton, at nanoteknologi gør det muligt af et stykke stof på størrelse med en sukkerkube at skabe et materiale, der er ti gange stærkere end stål. Denne definition opfattes nu som vulgær og ekstremt primitiv, men der er ingen garanti for, at de nuværende definitioner af nanoteknologi ikke bliver forældede inden for en overskuelig fremtid og ikke vil ligne en mareridtsagtig anakronisme. Sandsynligvis den største chance for at overleve er givet af Rita Colwell, direktør for US National Science Foundation: "Nanoteknologi er en gateway til en anden verden."
Globale udgifter til nanoteknologiprojekter overstiger nu 9 milliarder dollars om året. USA står nu for cirka en tredjedel af alle globale investeringer i nanoteknologi. Andre store aktører på dette område er EU og Japan. Forskning på dette område udføres også aktivt i landene i det tidligere USSR, Australien, Canada, Kina, Sydkorea, Israel, Singapore, Brasilien og Taiwan. Fremskrivninger viser, at i 2015 kan det samlede antal ansatte i forskellige sektorer af nanoteknologiindustrien nå op på 2 millioner mennesker, og den samlede værdi af varer produceret ved hjælp af nanomaterialer vil være mindst flere hundrede milliarder dollars og muligvis nærme sig 1 billion dollar.
Nanoteknologi er normalt opdelt i tre typer. Den industrielle brug af nanopartikler i billak og autokosmetik er et eksempel på "inkrementelle" nanoteknologier. "Evolutionære" nanoteknologier er repræsenteret af sensorer i nanoskala, der bruger kvanteprikkernes fluorescerende egenskaber (2 til 10 nanometer i diameter) og de elektriske egenskaber af kulstofnanorør (1 til 100 nanometer i diameter), selvom disse udviklinger stadig er i deres vorden. "Radikale" nanoteknologier er endnu ikke dukket op; de kan kun ses i science fiction-thrillere. Vi bør også forvente en konvergens mellem disse tre teknologier.
Men overgangen fra laboratorieproduktion til masseproduktion er fyldt med betydelige udfordringer, og pålidelig bearbejdning af materialer i nanoskala på den nødvendige måde er stadig meget vanskelig at realisere økonomisk. I øjeblikket bruges nanomaterialer til fremstilling af beskyttende og lysabsorberende belægninger, sportsudstyr, transistorer, lysemitterende dioder, brændselsceller, medicin og medicinsk udstyr, materialer til fødevareemballage, kosmetik og tøj. Nanourenheder baseret på ceriumoxid tilsættes allerede dieselbrændstof, hvilket gør det muligt at øge motorens effektivitet med 4-5 % og reducere graden af udstødningsforurening. I 2002 blev tennisbolde skabt ved hjælp af nanoteknologi brugt for første gang ved Davis Cup.
I alt bruger amerikansk industri og industrien i andre udviklede lande nu nanoteknologi i produktionsprocessen af mindst 80 grupper af forbrugsvarer og over 600 typer råmaterialer, komponenter og industrielt udstyr. I USA steg føderale udgifter til nanoteknologiprogrammer og -projekter alene fra 464 millioner dollars i 2001 til 1 milliard dollars i 2005. Ifølge Congressional Research Service planlægger USA at afsætte 1,1 milliarder dollars til disse formål i 2006. Yderligere 2 milliarder dollars blev brugt i 2005 af amerikanske virksomheder til de samme formål (nanolaboratorier blev oprettet af forretningsgiganter som HP, NEC og IBM, universiteter og myndighederne i de enkelte stater).
Skyfri nano i morgen
I de senere år er der blevet offentliggjort mange optimistiske prognoser om anvendelsen af nanoteknologi. Materialernes egenskaber på nanoskala adskiller sig fra store skalaer på grund af, at overfladearealet pr. volumenhed på nanoskalaen er ekstremt stort. Nanoteknologi kan radikalt ændre de metoder, der i dag anvendes inden for mikroelektronik, optoelektronik og medicin. Derfor har nanoteknologi et virkelig gigantisk potentiale.
Den kendte videnskabsmand Jay Storrs HallJ. Storrs Hall, forfatter til den populærvidenskabelige bog "Nanofuture"Nanofuture: What's Next For Nanotechnology, hævder, at nanoteknologi radikalt vil ændre alle områder af menneskets liv. På deres grundlag kan der skabes varer og produkter, hvis brug vil revolutionere hele sektorer af økonomien. Disse omfatter nanosensorer til at identificere giftigt affald fra den kemiske og bioteknologiske industri, lægemidler, kemiske krigsførende midler, sprængstoffer og patogene mikroorganismer, samt nanopartikelfiltre og andre rensningsanordninger designet til at fjerne eller neutralisere dem. Endnu et eksempel på lovende nanosystemer i den nærmeste fremtid er elektriske motorveje. kabler baseret på kulstof nanorør, som vil lede højspændingsstrøm bedre end kobbertråde og samtidig veje fem til seks gange mindre. Nanomaterialer vil i høj grad reducere omkostningerne til bilkatalysatorer, der renser udstødning fra skadelige urenheder, da det med deres hjælp er muligt med 15-20 gange at reducere forbruget af platin og andre værdifulde metaller, der bruges i disse enheder. Der er al mulig grund til at tro, at nanomaterialer vil finde bred anvendelse i olieraffineringsindustrien og i så nye områder af bioindustrien som genomik og proteomik.
Fysiker Ted Sargent, forfatter til bogen "The Dance of Molecules" mod specifikke patogener. Ray Kurzweil, forfatter til bogen Fantatic Voyage: Live Long Enough to Live Ever, forudsiger, at det er muligt at skabe nanorobotlæger, der er i stand til at "leve" inde i den menneskelige krop og eliminere al skade, der opstår, eller forhindre dens forekomst.
Teoretisk set kan nanoteknologi give en person fysisk udødelighed på grund af det faktum, at nanomedicin uendeligt kan regenerere døende celler. Scientific American-magasinet forudser, at medicinsk udstyr på størrelse med et frimærke vil dukke op i den nærmeste fremtid. Det vil være nok at påføre dem på såret. Denne enhed vil uafhængigt udføre en blodprøve, bestemme, hvilken medicin der skal bruges og injicere dem i blodet.
Det forventes, at de første robotter baseret på nanoteknologi dukker op allerede i 2025. Det er teoretisk muligt, at de vil være i stand til at konstruere ethvert objekt ud fra færdige atomer. Nanoteknologi har potentialet til at revolutionere landbruget. Molekylære robotter vil være i stand til at producere mad, der erstatter landbrugets planter og dyr. For eksempel er det teoretisk muligt at producere mælk direkte fra græs, uden om mellemleddet - en ko. Nanoteknologi kan også stabilisere miljøsituationen. Nye typer industri vil ikke producere affald, der forgifter planeten. Der åbner sig også utrolige perspektiver inden for informationsteknologi. Nanorobotter er i stand til at udleve science fiction-forfatteres drøm om koloniseringen af andre planeter - disse enheder vil være i stand til at skabe det habitat, der er nødvendigt for menneskeliv. Josh Wolfe, redaktør af Forbes/Wolfe Nanotech Report, skriver: "Verden vil simpelthen blive genopbygget. Nanoteknologi vil ryste alt på planeten."
Kort nanohistorie
Videnskabshistoriker Richard D. Booker bemærker, at nanoteknologiens historie er ekstremt vanskelig at skabe af to grunde - for det første, selve dette koncepts "fuzzy" karakter. For eksempel er nanoteknologi ofte ikke "teknologi" i ordets sædvanlige betydning. For det andet har menneskeheden altid forsøgt at eksperimentere med nanoteknologi, uden selv at vide det.
Charles P. Poole, forfatter til bogen "Introduction to Nanotechnology", giver et illustrativt eksempel: British Museum huser den såkaldte "Lycurgus Cup" (koppens vægge viser scener fra denne store spartanske lovgivers liv). lavet af gamle romerske håndværkere - den indeholder mikroskopiske partikler af guld og sølv tilsat glasset. Under forskellig belysning skifter koppen farve - fra mørkerød til lys gylden. Lignende teknologier blev brugt til at skabe farvede glasvinduer i middelalderlige europæiske katedraler.
Den græske filosof Demokrit kan betragtes som nanoteknologiens fader. Omkring 400 f.Kr. Han brugte først ordet "atom", som betyder "ubrydelig" på græsk, til at beskrive den mindste partikel af stof. I 1661 publicerede den irske kemiker Robert Boule en artikel, hvori han kritiserede Aristoteles' påstand om, at alt på Jorden består af fire elementer - vand, jord, ild og luft (det filosofiske grundlag for den daværende alkymi, kemi og fysik). Boyle argumenterede for, at alt består af "legemer" - ultrasmå dele, der i forskellige kombinationer danner forskellige stoffer og genstande. Efterfølgende blev idéerne fra Democritus og Boyle accepteret af det videnskabelige samfund.
Sandsynligvis for første gang i moderne historie blev et nanoteknologisk gennembrud opnået af den amerikanske opfinder George Eastman (senere grundlagde det berømte firma Kodak), som producerede fotografisk film (dette skete i 1883).
1905 Den schweiziske fysiker Albert Einstein offentliggjorde et papir, hvori han beviste, at størrelsen af et sukkermolekyle er cirka 1 nanometer.
1931 De tyske fysikere Max Knoll og Ernst Ruska skabte et elektronmikroskop, som for første gang gjorde det muligt at studere nanoobjekter.
1968 Alfred ChoAlfred Cho og John ArthurJohn Arthur, ansatte i den videnskabelige afdeling af den amerikanske virksomhed Bell, udviklede det teoretiske grundlag for nanoteknologi i overfladebehandling.
1974 Den japanske fysiker Norio Taniguchi introducerede ordet "nanoteknologi" i den videnskabelige cirkulation, som han foreslog at kalde mekanismer mindre end en mikron i størrelse. Det græske ord "nos" betyder "gnome" og refererer til milliarder af dele af en helhed.
1981 De tyske fysikere Gerd Binnig og Heinrich Rohrer skabte et mikroskop, der var i stand til at vise individuelle atomer.
1985 De amerikanske fysikere Robert CurlRobert Curl, Harold KrotoHarold Kroto og Richard SmalleyRichard Smalley har skabt en teknologi, der gør det muligt nøjagtigt at måle objekter med en diameter på en nanometer.
1986 Nanoteknologi blev kendt for den brede offentlighed. Den amerikanske fremtidsforsker Eric DrexlerEric Drexler udgav en bog, hvori han forudsagde, at nanoteknologi snart ville begynde at udvikle sig aktivt.
1989 Donald EiglerDonald Eigler, en IBM-medarbejder, oplyste navnet på sit firma med xenonatomer.
1993 I USA begyndte man at uddele Feynman-prisen, som er opkaldt efter fysikeren Richard P. Feynman, som i 1959 holdt en profetisk tale, hvori han udtalte, at mange videnskabelige problemer først vil blive løst, når videnskabsmænd lærer at arbejde på atomniveau. I 1965 blev Feynman tildelt Nobelprisen for sin forskning inden for kvanteelektrodynamik, nu et af nanovidenskabens områder.
1998 Den hollandske fysiker Seez Dekker skabte en transistor baseret på nanoteknologi.
1999 Amerikanske fysikere James TourJames Tour og Mark ReedMark Reed fastslog, at et individuelt molekyle kan opføre sig på samme måde som molekylære kæder.
år 2000. Den amerikanske administration støttede oprettelsen af National Nanotechnology Initiative. Nanoteknologisk forskning har modtaget statsstøtte. Derefter blev der afsat 500 millioner dollars fra det føderale budget.
2001 - Mark A. Ratner, forfatter til bogen "Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea", mener, at nanoteknologi blev en del af menneskelivet i 2001. Så fandt to betydningsfulde begivenheder sted: det indflydelsesrige videnskabelige magasin Science kaldte nanoteknologi "årets gennembrud", og det indflydelsesrige forretningsmagasin Forbes kaldte det "en ny lovende idé." I dag bruges udtrykket "ny industriel revolution" periodisk i forhold til nanoteknologi.
Fantomtruslen
Historien viser uigendriveligt, at næppe alle nyttige opfindelser og videnskabelige og tekniske udviklinger ikke blot bidrager til udviklingen af økonomien, men også udsætter menneskeheden for nye og til tider vanskelige forudsigelige farer.
I 2004 udgav Credit Suisse First Boston en analytisk rapport om fremtiden for nanoteknologi. Den slår fast, at nanoteknologi er en klassisk "generel teknologi". Andre generelle teknologier - dampmaskiner, elektricitet og jernbaner - blev grundlaget for industrielle revolutioner. Innovationer af denne art starter normalt som meget rå teknologier med begrænsede anvendelsesmuligheder, men spreder sig derefter hurtigt til andre områder af livet. Dette begynder "processen med kreativ ødelæggelse" (en proces, hvor en ny teknologi eller et nyt produkt giver nye muligheder og bedre løsninger, hvilket resulterer i fuldstændig udskiftning af den tidligere teknologi eller produkt, da elektricitet erstattede damp, og elektronisk post erstattede telegrafen) . I den nærmeste fremtid vil kreativ ødelæggelse ikke kun fortsætte, men accelerere, og nanoteknologi vil være i centrum. Konklusion: "De fleste af de virksomheder, der er noteret i det nuværende Dow Jones Industrial Average, vil sandsynligvis ikke være der om tyve år."
Eric Drexler Eric Drexler, grundlægger og leder af Foresight Institute-forskningen, forfatter til bogen "Engines of Creation", understreger, at køberen af et industrielt produkt i dag betaler for dets design, materialer, arbejdskraft, produktionsomkostninger, transport, opbevaring og salg organisation. Hvis nanofabrikker kan producere en bred vifte af produkter til enhver tid og hvor som helst, vil de fleste af disse operationer blive unødvendige. Derfor er det uvist, hvordan nanofremstilling vil påvirke priser og arbejdsløshed. Fleksibiliteten i fremstillingen af nanoteknologi og evnen til at producere radikalt bedre produkter betyder, at konventionelle produkter ikke vil være i stand til at konkurrere med nanofabrikkers produkter på mange områder. Hvis nanofabriksteknologi ejes eller kontrolleres af en organisation, kan det føre til en "ny monopolisering."
Center for Ansvarlig Nanoteknologi forudser, at nanoteknologiske produkter vil være ekstremt værdifulde efter nutidens standarder. Et monopol vil give teknologiejere mulighed for at sætte høje priser for alle produkter for at opnå store overskud. Det betyder dog, at millioner af mennesker i nød ikke vil have adgang til vital, lavpristeknologi. Over tid vil konkurrence reducere priserne, men tidligt er et monopol sandsynligt. Desuden har de "fattige" lande i verden ikke kapacitet til at finansiere nanorforskning. Det er heller ikke sandsynligt, at et ureguleret kommercielt marked for nanoteknologi får lov til at eksistere.
Der er andre aspekter af problemet. Terrorister og kriminelle, der får adgang til nanoteknologi, kan forårsage betydelig skade på samfundet. Kemiske og biologiske våben vil være farligere, og det vil være meget nemmere at skjule dem. Det vil være muligt at skabe nye typer våben til at dræbe på afstand, som vil være meget svære at opdage eller neutralisere. Det bliver også sværere at fange en kriminel efter at have begået en lignende forbrydelse. På den anden side vil staten få nye muligheder. Det er teoretisk muligt at skabe meget små, billige supercomputere, der kan køre snigende, løbende befolkningsovervågningsprogrammer. Et stort antal overvågningsenheder kan fremstilles til ret beskedne omkostninger. Med evnen til at bygge milliarder af komplekse enheder til en samlet pris på nogle få dollars, kan enhver automatiseret teknologi, der kan anvendes på én person, anvendes på alle. Ethvert scenarie med fysisk eller psykologisk kontrol, der bruger nanoteknologiens ekstreme muligheder, vil se science-fiction og usandsynligt ud.
Nye ting og ændringer i den sædvanlige livsstil kan føre til en løsning af samfundets grundlag. For eksempel kan medicinsk udstyr, der gør det muligt relativt let at ændre hjernens struktur eller stimulere visse dele af hjernen til at producere effekter, der efterligner enhver form for mental aktivitet, blive grundlaget for "nanoteknologiafhængighed."
Nanoteknologi har også en lys militær fremtid. I øjeblikket udføres militær forskning i verden inden for seks hovedområder: teknologier til at skabe og modvirke "usynlighed", energiressourcer, selvhelbredende systemer (som giver dig mulighed for automatisk at reparere en beskadiget overflade på en tank eller et fly eller ændre dens farve), kommunikation samt enheder til påvisning af kemiske og biologiske agenser, forurening. Tilbage i 1995 udtalte David E. Jeremiah, et tidligere medlem af Joint Chiefs of Staff,: "Nanoteknologi har potentialet til radikalt at ændre magtbalancen, mere end selv atomvåben."
Det er muligt at forestille sig en enhed på størrelse med det mindste insekt (ca. 200 mikron), der er i stand til at finde ubeskyttede mennesker og injicere dem med gift. Den dødelige dosis af botulinumtoksin er 100 nanogram eller omkring 1/100 af volumen af hele enheden. 50 milliarder sådanne våben - nok til at dræbe alle mennesker på Jorden - kunne opbevares i en kuffert. Skydevåben vil blive meget kraftigere - og kugler vil blive målsøgende. Luftfartsteknologi kunne være meget lettere og bedre, lavet med lidt eller intet metal, hvilket gør det meget sværere at opdage med radar. Indbyggede computere giver dig mulighed for at aktivere enhver form for våben på afstand, og mere kompakte energikilder vil i høj grad forbedre kamprobotternes muligheder.
Analytiker Tom McCarthy, forfatter til artiklen "Molecular Nanotechnology and the World System", hævder, at nanoteknologi vil hjælpe med at reducere niveauet af økonomisk indflydelse fra individuelle stater. Under militære operationer vil hære foretrække at ødelægge mennesker frem for militært udstyr eller industrielle virksomheder. Nanoteknologi vil gøre det muligt at organisere industriel produktion selv i regioner, hvor der ikke er mineralressourcer. De vil gøre små grupper helt selvforsynende, hvilket kan bidrage til staternes sammenbrud.
Risikovurdering
USA og andre lande forsøger at vurdere risikoen ved at bruge og forbedre nanoteknologi. Men i USA er finansieringen til analyse af potentielle trusler fra brugen af nanomaterialer stadig meget lille.
Ifølge estimater fra eksperter fra Project on Emerging Nanotechnologies er deres samlede beløb kun 39 millioner dollars - det vil sige, at kun 4% af alle tildelinger til nanoteknologi kommer fra den føderale statskasse. Antallet af projekter, som disse midler er afsat til, er også ret beskedent - cirka 160.
Ved en høring i det amerikanske Repræsentanternes Hus's Videnskabsudvalg udtalte repræsentanter for miljøbevægelser og industrivirksomheder enstemmigt, at omkostningerne ved at belyse de miljømæssige og medicinske aspekter af brugen af nanomaterialer bør beløbe sig til 10 til 20 procent af alle offentlige udgifter til nanoteknologi .
Denne situation har allerede forårsaget mange alarmerende advarsler fra eksperter. Nanopartikler trænger let ind i menneske- og dyrekroppen gennem huden, luftvejene og mave-tarmkanalen. Nu er der ingen tvivl om, at nogle nanoobjekter kan have en giftig effekt på celler i forskellige væv. Især kulstofnanorør, som betragtes som et af de mest lovende nanomaterialer i den nærmeste fremtid, har en sådan effekt.
Situationen kompliceres af, at mange nanostrukturer produceres på mere end én måde. Denne omstændighed øger rækken af risici, som arbejdere i nanoteknologiindustrien kan stå over for eller allerede står over for. På den anden side giver det grund til at antage, at de samme nanoprodukter, fremstillet ved hjælp af forskellige teknologier, udadtil vil have forskellige effekter på mennesker og deres miljø.
I december 2004 oprettede Science Policy Council under US Environmental Protection Agency en arbejdsgruppe af eksperter, der havde til opgave at udarbejde en hvidbog om farerne ved nanoteknologi. Præcis et år senere blev et udkast til dette dokument offentliggjort.
Forfatterne af hvidbogsprojektet begynder med en definition af genstanden for deres analyse. De definerer nanoteknologi som "forskning og udvikling på atom-, molekylært og makromolekylært niveau på en størrelsesskala fra et til hundrede nanometer; skabelsen og brugen af kunstige strukturer, enheder og systemer, der på grund af deres ultra-små størrelser har betydeligt nye egenskaber og funktioner; manipulation af stof på atomær afstandsskala." Denne definition er bred nok til ikke kun at omfatte eksisterende materialer og produkter, men også de systemer, der først vil dukke op om ti til tyve år.
Til dato er oplysningerne om konsekvenserne af ukontrollerede udslip af nanopartikler i miljøet dog stadig ret sparsomme. Forfatterne af hvidbogsprojektet understreger behovet for at udfylde disse informationshuller så hurtigt som muligt. De understreger, at seriøs undersøgelse af nanopartiklers adfærd i miljøet først for nylig er begyndt. Det er for eksempel kendt, at nanopartikler kan ophobes i luft, jord og spildevand, men videnskaben har endnu ikke nok data til præcist at modellere sådanne processer. Nanopartikler kan ødelægges af lys og kemikalier, såvel som ved kontakt med mikroorganismer, men disse processer er endnu ikke godt forstået. Nanomaterialer gennemgår som regel lettere kemiske transformationer end større genstande af samme sammensætning og er derfor i stand til at danne komplekse forbindelser med hidtil ukendte egenskaber. Denne omstændighed øger de teknologiske muligheder for nanoobjekter og tvinger os samtidig til at være særligt opmærksomme på de risici, der er forbundet med dem.
Et andet lidt undersøgt område er konsekvenserne af kontakt mellem nanopartikler og levende celler og væv. Der er ingen tvivl om, at mange nanomaterialer har toksiske effekter. For eksempel forårsager indånding af polystyrennanopartikler ikke kun betændelse i lungevævet, men fremkalder også trombose af blodkar. Der er beviser for, at kulstofnanopartikler kan forårsage hjertesygdomme og undertrykke immunsystemets aktivitet. Eksperimenter på akvariefisk og -hunde har vist, at fullerener, polyatomiske sfæriske kulstofmolekyler flere nanometer på tværs, kan ødelægge hjernevæv. Indtrængen af nanopartikler i biosfæren er fyldt med mange konsekvenser, som endnu ikke er mulige at forudsige på grund af manglende information.
Forfatterne af hvidbogen anbefaler kraftigt at fremskynde storstilet forskning, der sigter mod at belyse farerne og risiciene forbundet med nanopartikelforurening af miljøet. Det er især nødvendigt at finde ud af, på hvilke måder den biologiske nedbrydning af nanopartikler sker, og hvordan det påvirker de økologiske kæder i den levende natur.
Clarence Davis kom til lignende konklusioner. Clarens Davies, forskningsstipendiat ved Woodrow Wilson Center, forfatter til rapporten "Managing the Effect of Nanotechnology." Han bemærker, at nanoteknologi er en "ny virkelighed", der endnu ikke er modtagelig for regeringsregulering. Det er ekstremt vanskeligt at bruge eksisterende love til dette formål. Derfor haster det med at skabe grundlæggende ny lovgivning, nye mekanismer og regulerende institutioner (inklusive internationale) - ellers kan ånden flygte fra flasken, og konsekvenserne af dette kan være de mest ubehagelige.
Under en konference dedikeret til problemerne med nanoteknologis biosikkerhed foreslog forskere, at regeringen skulle vedtage visse regler for kontrol med nanoindustriens produkter.
Regeringer i mange lande arrangerer i dag særlige konferencer og afsætter betydelige beløb til at studere nanoteknologiens indvirkning på miljøet.
Et af de spørgsmål, der stilles af både videnskabsmænd og almindelige mennesker, især beboere i megabyer, er den luft, vi indånder. Det er ingen hemmelighed, at tilstedeværelsen af et stort antal sygdomme, kronisk bronkitis og astma, herunder medfødte tilfælde af denne sygdom, forklares af giftige og forurenede emissioner til atmosfæren fra industrielle virksomheder og husholdningsapparater.
I denne forbindelse forsker forskere i nanopartiklers adfærd i atmosfæren og konsekvenserne af deres indånding af mennesker. Som et resultat af forsøg på laboratoriegnavere blev der afsløret en høj følsomhed af epitelceller i åndedrætssystemet over for nanopartikler, som akkumulerede i forsøgsdyrs næsepassager, hvilket forårsagede rhinitis og andre mere alvorlige sygdomme.
Problemet med nanomaterialers indvirkning på miljøet tiltrækker ikke mindre opmærksomhed. Så der blev gennemført en undersøgelse af de miljømæssige risici ved fem hovedtyper af nanomaterialer, herunder nanorør, kvanteprikker og buckyballs. Forskere har identificeret forskellige typer forureningsrisici for forskellige procesoperationer, herunder lægemiddelproduktion og olieraffinering. På baggrund af de indhentede data konkluderer miljøprofessoren i artiklen, at skabelsen af nanomaterialer udgør mindre risiko end nuværende industrielle processer.
Nanopartikler, der kommer ind i jorden, vil ikke forårsage nogen mærkbar skade på økosystemet. Der blev udført en række forsøg, hvor fullerener blev anbragt i forskellige jordtyper og derefter undersøgt deres adfærd og deres effekt på mikroorganismer og mineraler. Fullerener er ramme sfæriske polyedre sammensat af regulære femkanter og sekskanter med carbonatomer ved hjørnerne. Væsentlige ændringer kan være fatale for elementer af plantefødekæder. Imidlertid viste resultaterne af observationer, at det ikke producerer nogen negativ dynamik: mikroorganismer er i live og har det godt, balancen af stoffer påvirkes ikke.
Nanoteknologi bidrager selvfølgelig til menneskehedens tekniske fremskridt - videnskabsmænd rapporterer jævnligt om nye succeser, der kan ændre folks liv og hverdag til det bedre. Nanopartikler udviklet ved hjælp af nanoteknologi kan hjælpe med at behandle kræft, men nogle nanopartikler kan tværtimod forårsage kræft i menneskekroppen. Titandioxid (TiO2) nanopartikler, der nu findes i mange fødevarer, ophobes i kroppen og fører til systemisk genetisk skade. Titandioxid (TiO2) nanopartikler forårsager enkelt- og dobbeltstrengede DNA-brud og fører også til kromosomskader.
Når titanium nanopartikler kommer ind i kroppen, ophobes de i forskellige organer, da kroppen ikke har mekanismer til deres fjernelse. På grund af deres lille størrelse trænger de let ind i celler og begynder at påvirke deres elementer.
Omfanget af brugen af nanopartikler til fremstilling af kosmetik vokser hvert år, og ifølge producenterne er der ikke noget galt med dette. Nogle miljøforkæmpere indtager en anden holdning. Brugen af nanopartikler i kosmetik er ikke mindre skadelig end arsenik og blytilsætningsstoffer, mener australske repræsentanter for den internationale miljøorganisation Friends of the Earth. I alle tilfældigt udvalgte testgrupper af produkter fandt forskerne nanopartikler.
Nanoteknologi bruges i kosmetik meget mere udbredt, end forbrugerne tror. Ud over at indeholde nanopartikler indeholdt halvfjerds procent af de testede produkter kemiske forstærkere, der gør det lettere for nanopartikler at trænge ind i huden i blodbanen. Mange populære producenter og mærker af kosmetik er ikke sluppet for beskyldninger. Nanopartikler blev fundet i produkterne fra Clinic, Lacom, L'Oreal, Max Factor, Revlon, Yves Saint Laurent, på trods af at de ikke var opført i sammensætningen.Men kosmetikproducenten Christian Dior inkluderede ikke kun nanopartikler i sammensætningen af produkter, men også angivet dem i ingredienslisten.
Resultaterne af undersøgelsen indikerer klart farerne ved ny kosmetik. I 2009 indførte EU en lov, der kræver, at alle solcremer, der indeholder nanomaterialer og nanopartikler, skal testes inden 2012.
Denne sag er ikke første gang, at miljøforkæmpere og videnskabsmænd har rejst spørgsmålet om den fare, som moderne nanoteknologi kan udgøre. Især mener nogle forskere, at forekomsten af nanopartikler i atmosfæren i industriel skala kan ændre jordens klima, og advarer også om farerne ved at spise mad skabt ved hjælp af nanoteknologi
Amerikanske videnskabsmænd har opdaget en betydelig mængde nanopartikler i jordens atmosfære, som fortsætter med at stige. Efter deres mening kan nanopartikler, der reflekterer solens stråler, for alvor ændre klimaet på planeten og forårsage en ny istid.
Ifølge de seneste observationer fra amerikanske videnskabsmænd indeholder atmosfæren på vores planet allerede en betydelig mængde nanopartikler, der er usynlige for øjet, men som kan påvirke vejrprocesser.
Antallet af nanopartikler stiger i forskellige dele af verden, men hvorfor det sker, er stadig et mysterium. Forskere har studeret spørgsmålet om, hvordan nanopartikler dannes, og hvordan deres antal stiger, når de interagerer med forskellige organiske dampe.
De var dog i stand til at finde ud af, at nogle typer organisk stof vokser hurtigt i atmosfæren. Når de samles i store mængder, reflekterer de sollys tilbage i rummet – en slags omvendt drivhuseffekt. Derudover bemærker forskerne, at spredningen af nanopartikler i luften kan forværre sygdomme som astma, emfysem og andre lungesygdomme.
I marts 2008 mødtes mere end hundrede forskere fra hele verden i Schweiz til nanoECO-konferencen for at diskutere problemer forbundet med de syntetiserede nanopartiklers miljøpåvirkning. Selvom nano-økotoksikologi er et ungt forskningsfelt, er interessante og vigtige resultater blevet præsenteret. Selvfølgelig var fokus på uløste problemer: hvordan og i hvilke mængder nanopartikler fra "nanoprodukter" kommer ind i miljøet; hvad vil f.eks. være niveauet af forurening af floder og jord; hvilke analytiske metoder kan bruges effektivt?
Spørgsmålet om anvendeligheden af forskningsmetoder er meget vigtigt. H. Krug understregede i sin rapport, at data om toksiciteten af kulstofnanorør (CNT'er) sammen med de metalurenheder, der er til stede i dem (en anerkendt effekt), også kan påvirkes af de reagenser, der bruges til eksperimenter in vitro! I dette tilfælde kan konklusioner om farerne ved nanorør vise sig at være falske. Ved vurdering af toksicitet er det derfor meget vigtigt at karakterisere ikke kun selve nanomaterialerne korrekt, men også de analytiske metoder, der er brugt i undersøgelserne.
"Grøn" kemi, "grøn" energi... Disse udtryk dukkede op i slutningen af forrige århundrede og blev straks meget populære. I de senere år er interessen for ressourcebesparende, miljøvenlige grønne teknologier steget enormt, og investeringerne i grønne teknologivirksomheder er konstant stigende. Rapporten af B. Karn er dedikeret til "grøn nanoteknologi". Grøn nanoteknologi, som forfatteren forklarer, er en måde at skabe og bruge nanomaterialer og nanoprodukter på uden at skade miljøet og menneskers sundhed. Grøn nanoteknologi refererer således på den ene side til produktion af nanomaterialer og produkter ved hjælp af principperne for grøn kemi og grønne teknologier (som forbedrer miljøet på en indirekte måde), og på den anden side skabelsen af nanoprodukter, der er direkte involveret i at løse tidligere, nuværende og fremtidige problemer, relateret til beskyttelse af naturen og menneskers sundhed (f.eks. sorbenter til spildevand eller drikkevandsbehandling, nye katalysatorer, energisystemer).
Resultaterne af computermodellering af transporten af de tre mest almindelige typer af nanopartikler (nano-Ag, nano-TiO 2 og CNT'er), præsenteret i en rapport af de schweiziske videnskabsmænd B. Nowack og N. Mueller, viste sig at være så interessante at de blev offentliggjort i sin helhed i tidsskriftet "Environmental Science & Technology" og kommenteret i juni-udgaven af Nature Nanotechnology. Lad os se nærmere på dem.
Ag og TiO 2 nanopartikler er de mest udbredte i forbrugerprodukter. Nano-sølv menes at have antimikrobielle, svampedræbende og andre gavnlige egenskaber, og nano-TiO2 produceres i store mængder til brug i selvrensende, antifouling, antimikrobielle belægninger og maling og i kosmetik som UV-absorber (Australien alene har mere 300 registrerede solcremeprodukter indeholdende TiO2 nanopartikler. Det tredje undersøgte nanomateriale, kulstofnanorør, behøver ingen introduktion til vores almindelige læsere.
Modellen brugte følgende inputdata: estimater af global produktion, koncentrationer af nanopartikler i forskellige produkter, udbytte af nanopartikler fra produkter og parametre for strømninger til miljøet (fra affaldsforbrændingsanlæg, lossepladser og/eller spildevandsrensningsanlæg) og mellem det områder (luft, jord, vand). Hele brugscyklussen af produkter, der indeholder nanopartikler, tages i betragtning, fra produktion til bortskaffelse. Denne type model er almindeligt anvendt til at bestemme eksponering for kemiske produkter.
Forfatterne lavede en risikovurdering for tre miljøområder - vand (floder og søer), luft, jord i Schweiz (fig. 1). To scenarier blev overvejet - realistiske ( RE – realistisk), baseret på tilgængelige oplysninger og worst case ( HE – høj eksponering), baseret på skøn, der tyder på højere koncentrationer. Resultaterne blev sammenlignet med værdier, der ifølge toksikologiske undersøgelser ikke forårsager negative effekter ( PNEC – forudsagt koncentration uden effekt). Risikoen blev udtrykt som forholdet mellem den forudsagte miljøkoncentration af PEC ( PEC – forudsagte miljøkoncentrationer) til PNEC. Materialer, hvor dette forhold er mindre end én, anses for at være sikre.
Fig.1. Mulig fordeling af nanomaterialer i miljøet (luft; jord, vegetation; jord dækket med vegetation; vand; sedimenter)
Desværre er det umuligt at finde en liste over alle produkter, der indeholder nanopartikler. Mange producenter informerer ikke om deres tilgængelighed. Situationen vil sandsynligvis ændre sig til det bedre i de kommende år, men indtil videre har forfatterne brugt parametre til analyse, hvoraf nogle er præsenteret i tabel 1.
Tabel 1. Parametre brugt til at modellere nanopartikeltransport i Schweiz
| Nanopartikler | Produktkategori | % af den samlede mængde | Udvælgelsesmetode | % | Udvælgelsesområde |
| nano-Ag | tekstil | 10 | slid under brug slid ved vask bortskaffelse nedbrydning |
5 | luft Rensning af afløb afbrænding af affald levende system levende system levende system |
|
kosmetik |
25 | brug bortskaffelse |
95 | Rensning af afløb afbrænding af affald |
|
| aerosoler rengøringsmidler |
15 |
brug bortskaffelse slid |
95 | luft, spildevand, jord afbrænding af affald Rensning af afløb |
|
| metalprodukter | 5 |
bortskaffelse nedbrydning slid |
47,5 | levende system afbrænding af affald levende system Rensning af afløb |
|
| plastik | 10 | bortskaffelse nedbrydning |
50 | afbrænding af affald levende system jord, spildevand |
|
| nedbrydning bortskaffelse |
45 | levende system bortskaffelsessted |
|||
| nano-TiO 2 | plastik | 2 | slid bortskaffelse |
5 | luft, spildevand afbrænding af affald |
|
kosmetik |
60 | brug bortskaffelse |
95 | spildevand, vand afbrænding af affald |
|
| belægninger | 2 |
brug bortskaffelse |
95 | spildevand, luft afbrænding af affald |
|
| metaller | 1 |
slid bortskaffelse |
5 | spildevand levende system afbrænding af affald |
|
|
opbevaring/ energiproduktion |
10 |
bortskaffelse |
25 | afbrænding af affald levende system |
|
| 25 |
bortskaffelse |
50 | spildevand, jord bortskaffelsessted |
||
| CNT | plastik, sport Udstyr |
50 | slid bortskaffelse |
5 | luft afbrænding af affald |
| elektronik, batterier | 50 | genbruge bortskaffelse |
40 | levende system afbrænding af affald bortskaffelsessted |
|
| eksport | 50 | levende system |
Tabel 2 PEC-værdierne opnået for to scenarier (RE og HE) er angivet.
Tabel 3
| Risikovurdering (PEC/PNEC) i miljøet | ||||||
| Nano – Ag | Nano – TiO 2 | CNT | ||||
| RE | HAN | RE | HAN | RE | HAN | |
| Luft | ingen | ingen | 0,0015 | 0,004 | 1,5x10 -5 | 2,3x10 -3 |
| Vand | 0,0008 | 0,002 | >0,7 | >16 | 0,005 | 0,008 |
| Jorden | Men | Men | Men | Men | Men | Men |
Men– ikke bestemt på grund af manglende økotoksikologiske data
Som det kan ses af tabel. 2, er PEC-værdierne for CNT'er de laveste (selvom situationen naturligvis kan ændre sig i fremtiden, efterhånden som produktionen stiger). Indholdet i luften er lavt for alle tre typer nanopartikler. Partikler af nanosølv og nanotitaniumoxid findes hovedsageligt i vand og jord, og indholdet af nano-Ag er 20-200 gange lavere end nano-TiO 2. CNT'er kommer praktisk talt ikke i vand.
Ud fra de opnåede PEC-værdier er det nu muligt at bestemme, hvilke nanopartikler der udgør den største risiko og hvor (tabel 3).
Modelleringsresultater viser, at CNT'er i øjeblikket ikke udgør en risiko for miljøet. Hovedparten af produkter, der indeholder nanorør, går enten i en gentagen cyklus eller ender i affaldsforbrændingsanlæg, hvor CNT'er brænder næsten fuldstændigt i nærvær af ilt (temperaturen i installationerne er ca. 850 o C). Men PEC/PNEC-forholdet for nano-TiO 2 i vand nærmer sig enhed eller endnu mere, hvilket indikerer tilstedeværelsen af en betydelig risiko.
Det er naturligvis foreløbige resultater. For eksempel overvejes transformation, nedbrydning og bioakkumulering af nanopartikler ikke bevidst, selvom disse processer kan spille en vigtig rolle. Emissioner fra produktionssteder tages ikke i betragtning. Alligevel giver resultaterne en vurdering af risikoen og kan tjene som udgangspunkt for efterfølgende undersøgelser, som blandt andet i højere grad skal afspejle nanopartiklernes specifikke egenskaber.
- 1. nanoECO. Nanopartikler i miljøet. Implikationer og anvendelser 2.-7. marts, 2008 Centro Stefano Franscini Monte Verità Ascona, Schweiz
- 2.H.F. Krug et al., nanoECO Book of Abstracts 2.-7. marts, 2008, s.53
- 3. B. Karn. nanoECO Book of Abstracts 2.-7. marts, 2008, s.77
- 4. N. Mueller, B. Nowack., Environ. Sci. Teknol. 42, 4447 (2008)
- 5. M. Scheringer, Nature Nanotechnol., 3, 332 (2008)