iPon Cikkek

Pandora szelencéi – bevezetés a nanovilágba

Dátum | 2013. 02. 06.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

2008-ban kezdte meg működését a Duke Egyetemen az a kutatóközpont, amelynek célja a nanorészecskék környezetre kifejtett hatásainak minél alaposabb felderítése. A Center for the Environmental Implications of NanoTechnology (CEINT) többek közt a Duke, a Stanford, a Carnegie Mellon, a Howard, a Virginia Tech és a Kentucky Egyetem különböző tudományterületekre szakosodott kutatóinak munkáját fogja össze, és célja annak kiderítése, hogyan változtatják meg az élő és az élettelen világot ezek a szabad szemmel láthatatlan, és gyakran kiszámíthatatlan viselkedésű részecskék.

Arra a kérdése, hogy valóban környezeti kockázatot jelentenek-e a nanorészecskék, és ha igen milyen óvintézkedéseket kell tenni ennek megelőzésére, sokan sokféle választ adnak, kevés dolog van azonban, amit biztosan tudunk ezen anyagok természetéről. Az például bizonyos, hogy a részecskék méretükből adódóan képesek átjutni a vér-agy gáton, így nagyobb koncentrációban károsíthatják az idegrendszert.

A nanorészecskék kutatásának és használatának szabályozása lassan egy évtizede terítéken van, azonban senki sem igazán tudja, hogyan kellene belekezdeni. A nanotechnológia pedig időközben óriási fejlődésnek indult, és a részecskék lassan életünk minden területére belopódznak: megtaláljuk ezeket az ételekben, a ruhákban, a gyógyszerekben, a samponban, a fogkrémben és a naptejben, meg persze ezernyi egyéb dologban.

A technológia ilyen fokú és gyorsaságú elterjedése mindenkit, így a szabályozó szerveket is, váratlanul ért, ráadásul nem is igazán lehet követni terjedésének mértékét. Mivel a nanorészecskéket nagyon nehéz detektálni, a gyártó cégek nem feltétlenül részletezik, hogy mit is tartalmaz termékük, holott tényleg elképesztően keveset tudunk ezen anyagok hosszabb távú hatásairól.

Hogy egy kicsit jobban megértsük, miről is van szó, érdemes az alapoktól kezdeni, vagyis onnan, hogy mit is nevezünk pontosan nanorészecskének. A legegyszerűbb magyarázat szerint egy nagyon apró objektumról van szó, tehát gyakorlatilag bármilyen anyag (szén, ezüst, arany, titán-dioxid stb.) 1-100 nanométer nagyságú darabkája ebbe a kategóriába esik. (A felső határ egyelőre vita tárgyát képezi a szakértők között is, jelenleg a 100 nm a legelfogadottabb adat.)

Ilyen részecskék a természetben is léteznek, de mesterséges úton is előállíthatók. Erre két módszer van, vagy addig aprítjuk, őröljük az anyagot, amíg nanoméretű darabokra esik szét, vagy alulról építkezünk, és különféle anyagokat összevegyítve hozzuk létre az apró anyagrészeket.



Hogy aztán pontosan mi történik ebben a nanoméretű világban, azzal kapcsolatban a kutatók is sokszor csak találgatnak, egy dologban azonban mindenki egyetért: a nanorészecskék titka a felületükben rejlik. Viselkedésüket elsődlegesen az határozza meg, hogy milyen, és mennyire reakcióképes molekulák kerülnek a részecske külső részeire, ez utóbbi viszont sokszor teljesen kiszámíthatatlan, így ami makroskálán egyértelműnek tűnik, az a nanovilágban váratlan eredményekkel járhat.

Az alumínium vagy az arany például híresen stabilnak számítanak a mindennapi életben, nanorészecskeként azonban rendkívül reaktívvá válnak. Ha a puha amorf szénből nanorészecskéket gyártunk, és felhevítjük ezeket, rendkívül erős, félvezető tulajdonságú nanocsöveket kapunk eredményül. A nanovilágban a gravitáció hatása háttérbe szorul, az olvadáspontok megváltoznak, a színek átalakulnak. A 25 nanométeres aranyrészecskék pirosak, 50 nanométeres formában zöldek, 100 nanométeren pedig narancssárga színezetet öltenek. Az ezüst 50 nanométeres darabkákban kék, 100 nanométeres részecskék esetén viszont sárga színű.

Mind a kémia, mind pedig a fizika gyökeresen máshogy működik tehát az ilyen formájú anyagokon, mint megszoktuk. Nem véletlenül használjuk ennek a mérettartománynak a leírására a nanovilág szót: a nanorészecskék sajátos külön világot alkotnak, hiszen az atomoknál, molekuláknál nagyobbak, és ezektől gyökeresen eltérően viselkednek, a sejteknél viszont kisebbek, így a makrovilág törvényeivel sem írható le természetük. Tulajdonképpen ez az a senki (mindenki) földje, ahol az elsődlegesen nagyon kicsi méretekben megmutatkozó kvantummechanikai hatások és makrovilágot leíró klasszikus fizika összeér, egy roppant érdekes, de nem kevéssé kaotikus világot alkotva. Egyesek szerint a nanoskála egyenesen egy harmadik dimenziót ad hozzá a periódusos rendszerhez, ahol a megszokott szabályok és csoportosítások érvényüket vesztik.

Pontosan a nanorészecskék egzotikus tulajdonságainak köszönhető, hogy olyan széles körben elterjedt használatuk. A kutatók egyszerűen kiaknázták a megváltozott játékszabályok adta lehetőségeket, és olyan nanorészecskéket gyártottak le, majd adtak hozzá az adott produktumhoz, amely a kívánt tulajdonságok eléréséhez szükséges volt.

A nanoméretű részecskék különleges viselkedésére először 1985-ben figyeltek fel a kutatók, amikor a Rice Egyetem szakértői felfedezték a fulleréneket. Ezek a hatvan vagy annál több szénatomból álló, gömbszerű óriásmolekulák rendkívül hőállóak és szupravezetőként viselkednek. A következő mérföldkövet a szén nanocsövek 1991-es felfedezése jelentette, az azóta eltelt több mint két évtized során pedig számtalan különleges tulajdonságokkal bíró nanoanyagot hoztak létre a szakértők. 

A nanorészecskék révén új, minden korábbinál célzottabb gyógyszerbeviteli eljárások, különféle hullámhossztartományokban észlelhetetlen metaanyagok, hatékonyabb napelemek és flexibilis elektronikus rendszerek születtek, hogy csak az utóbbi idők legizgalmasabb fejlesztéseit soroljuk fel. A nanoanyagok persze az élet mindennapibb területeire is megtalálták az utat: folttaszító és karcálló festékek, átlátszó és gyorsabban felszívódó naptejek, valamint testápolók, kisebb, de fejlettebb számítógépek és mobiltelefonok, volumennövelő samponok, fehérítő hatású fogkrémek, mikroorganizmusoknak ellenálló építőanyagok kerültek forgalomba általuk.

Az Amerikai Kémiai Társaság lapjában nemrég megjelent egy tanulmány, amely szerint az adalékanyagként használt nanoszerkezetű titán-dioxid már 89 népszerű élelmiszeripari termékben megtalálható, köztük olyanokban is, mint az M&M drazsé, a Mentos, a Trident rágógumi vagy a Nestlé által gyártott kávékrémesítő por. 2010-ben 50 ezer tonna volt a világ össztermelése nano-titán-dioxidból, és ez a mennyiség 2015-re várhatóan meghaladhatja 200 ezer tonnát.

A CEINT beindulása idején a tudományos közösség jelentős része úgy vélte, hogy felesleges és korai kezdeményezésről van szó, mivel egyrészt a nanorészecskék használata még kevéssé terjedt el, másrészt általános volt az a vélemény, miszerint ha vannak is a nanoanyagoknak negatív hatásai a környezetre, ezek nem lehetnek jelentősek. Ahogy Mark Wiesner, a központ igazgatója fogalmazott, a kockázatok felmérését mindig jóval kisebb lelkesedés övezi, mint a lehetséges alkalmazási területek felderítését, és pontosan ez indokolta, hogy - sokak szerint idejekorán - belevágjanak a vizsgálódásba.

Wiesner és kollégái elsőként az ezüst nanorészecskék hatásait kezdték kutatni, mivel ezek antibakteriális hatásuk miatt már most is rengeteg piacon lévő termékben megtalálhatók. Zoknik, kötszerek, kilincsek, vágódeszkák, bababögrék, plüssállatok, óvszerek anyagába egyaránt belekeverik a nanoméretű ezüstszemcséket. Persze nem minden gyártó alkalmazza ezt a gyakorlatot, de árulkodó lehet az a tény, hogy az amerikai kórházakban már külön figyelni kell arra, hogy a beteg az MR-vizsgálat alatt ne viseljen ezüstrészecskéket tartalmazó zoknit, mert az megzavarja a képalkotást.


A szakértők mindenképpen tesztelni akarták a részecskék komplexebb rendszerekre kifejtett hatásait, egy teljes ökológiai rendszer azonban túlságosan bonyolult és kezelhetetlen lett volna, így végül kisebb méreteket céloztak meg. Több lehetséges tárolóegység is szóba került a gumimedencéktől kezdve, a földbe ásott lyukakon át, a fémkonténerekig, végül azonban gumiréteggel kibélelt fatárolók mellett döntöttek, mivel ezek olcsón megépíthetők, könnyen újrahasznosíthatók, és a mintákat is egyszerű begyűjteni belőlük.

Harminc ilyen ládát gyártottak le és egy üvegházban helyezték el ezeket, majd elkezdték berendezni őket. A CEINT interdiszciplináris kutatócsoportjának minden tagja a nanorészecskék más hatására volt kíváncsi, az ökológusokat az élőhelyen megtalálható fajok diverzitásában bekövetkező változások izgatták, a biológusok arra voltak kíváncsiak, hogy milyen mértékben koncentrálódnak a nanorészecskék, ahogy egyre magasabbra kerülnek a tápanyagláncban, a toxikológusokat az érdekelte, hogy a szervezeten belül hova kerülnek a részecskék, és milyen gyorsan érnek oda, a vegyészek pedig az anyag reaktivitásának hatásait szerették volna vizsgálni.

A különböző kérdések megválaszolása érdekében így eltérő célú kísérleti elrendezéseket valósítottak meg a kutatók. Alapvetően minden ládában valamiféle vízi élővilágba átmenő, szárazföldi ökoszisztéma miniváltozata található meg, és minden egyes „mezokozmoszt” különféle érzékelők tömege követ figyelemmel, amelyek folyamatosan továbbítják adataikat a CEINT számítógépei felé.

2011-ben a kutatócsoport kétféle nanoezüstöt adagolt a tárolókba, egy PVP-vel (polivinil-pirrolidon) bevont változatot, amelyet elsődlegesen a gyógyászatban alkalmaznak, illetve egy gumiarábikummal bevont verziót, amelyet pedig az édességiparban és különféle kozmetikumokban használnak. A bevonat mindkét esetben az ezüstszemcsék stabilizálását szolgálja. A kísérlet megkezdésekor egyes dobozokba lassan juttatták be az anyagot, másokba viszont egy nagy dózisban, illetve azt is variálták, hogy a mezokozmosz szárazföldi területére vagy a vízbe helyezték a nanoezüstöt. Amikor ezzel a fázissal végeztek, nem volt más hátra, mint várni és figyelni, hogy mi történik. 

A nanorészecskék lehetséges negatív hatásaival szemben a szakemberek többsége azért szkeptikus, mert beléjük ivódott az a szemléletmód, miszerint az anyagok többsége csak bizonyos beviteli mennyiség felett káros. A nanorészecskék pedig annyira kicsik, hogy egy-egy termékben össztömegük gyakorlatilag elhanyagolható. A nanovilágban azonban a méret kétélű fegyver, hiszen ezek az apró részecskék, éppen pici méretüknek köszönhetően, gyakorlatilag nem ismernek akadályt: gond nélkül átjutnak a bőrön, a vér-agy gáton, a belek és a légutak falán is. És ami még nagyobb probléma: hajlamosak felhalmozódni, különösen az agyban. Egyes fajták gyulladást, sejtkárosodást okoznak, és az eddig elvégzett laborkísérletek arra utalnak, hogy akár komoly szervi problémákat is indukálhatnak.

Több tanulmány is megjelent arról, hogy a nanorészecskék tulajdonképpen annál toxikusabbak, minél kisebb a méretük. A titán-dioxid a DNS-t is képes károsítani, és felgyorsítja a fémek korrózióját. A szén nanocsövek az azbesztnél is mélyebben penetrálják, és károsítják a légutakat. A környezeti hatásokról talán még kevesebbet tudunk, de igazolt tény, hogy a különféle fogyasztási cikkekben található nanorészecskéknek egy nem elhanyagolható része a szennyvízben köt ki, onnan pedig kikerül a természetbe. Egyes vizsgálatok arra utalnak, hogy ezek az anyagok lassítják a növények fejlődését is.

Richard Di Giulio, a CEINT környezeti toxikológusa szerint azonban nem elsősorban a mérgezés veszélye ad okot az aggodalomra: „Az eddigi korlátozott mennyiségű kutatási eredmény alapján úgy vélem, hogy a nanorészecskék nem említhetők egy napon az olyan mérgekkel, mint például a DDT. Az igazán ijesztő inkább az, hogy óriási tömegben gyártunk nanoanyagokat tartalmazó termékeket, holott egyelőre alig tudunk valamit ezek közvetlen és közvetett hatásairól.”

A történelemben pedig nem egyszer volt már arra példa, hogy egy „csodaanyagként” beharangozott újdonságról utólag kiderült, hogy óriási károkat okoz. A rovarölő hatású DDT-ről (diklór-difenil-triklóretán) mindenki úgy vélte, hogy használatával örökre legyőzhető a tífusz, a pestis, a malária és a sárgaláz, mielőtt egészség- és környezetkárosító hatásai miatt be kellett tiltottani. Az azbesztről úgy gondoltuk, hogy tűzállóvá teszi épületeinket, a BPA-val pedig úgy tűnt, hogy eljön a törhetetlen műanyagok kora, és még sorolhatnánk a példákat.

A CEINT első kísérleteinek sora egy évvel ezelőtt ért véget, a kutatók pedig azóta az adatok elemzésével és kiértékelésével foglalatoskodtak. Minden láda mezokozmoszát alaposan megvizsgálták, a növényeket leszedték, az állatokat felboncolták, a talajból mintákat vettek, majd megnézték, hogy mindezekben milyen mértékben halmozódtak fel a nanorészecskék, és milyen hatást fejtettek ki.


Ezen anyagok vizsgálata azonban még ilyen kiszámított körülmények közt sem problémamentes. Rengeteg dolgot nem tudunk, kezdve onnan, hogy vajon a szén nanocsövek lebomlanak-e egyáltalán, és ha nem, akkor mi történik velük. Vagy hogy hogyan lehetne egyszerűen megkülönböztetni ezeket a nanocsöveket a természetben található egyéb szénformátumoktól. A nanorészecskéket alapvetően roppant bonyolult kimutatni, és a közeljövőben nem is várható, hogy erre egyszerűbb megoldások születnek.

Lee Ferguson, a központ nanorészecske-elemzőinek vezetője szerint a tudományos közösség óriási lemaradásban van a nanoanyagok vizsgálatát illetően. Nem rendelkezünk a megfelelő eszközökkel és sokszor azt sem tudjuk, hogy milyen kérdéseket kellene feltenni. A legegyszerűbb mérések elvégzése is komoly kihívást jelent. Ha koncentrált mennyiségben vannak jelen a részecskék az egy dolog, de ha egy talajmintában kell kimutatni jelenlétüket, máris gondban vagyunk, mondja.

A CEINT az elmúlt évek alatt persze kiötlött egy-két módszert a nanorészecskék detektálására és kategorizálásra. Jelenlegi arzenáljuk fluorométerekből, ultrahangos eszközökből, illetve elektron-, és atomerő-mikroszkópokból áll, és ahogy módszereik fejlődnek, egyre meglepőbb eredményekkel szembesülnek a kutatók. Egyes nanorészecskék például a laborban sokkal mérgezőbb hatásúnak mutatkoztak, mint a ládákban, mások pedig éppen fordítva viselkedtek. Úgy tűnik, hogy a mezokozmoszok szerves környezete megváltoztatta a nanorészecskék bevonatának minőségét, néhány esetben erőssebbé téve, máskor viszont elvékonyítva azt. Ez például egy nagyon fontos, és eddig nem ismert jellegzetesség.

Bár egyelőre csak az előzetes vizsgálatok eredményeit publikálták, néhány dolog már ezekből is világosan látszik. Ha a nanorészecskék egyszerre nagy dózisban kerülnek bele egy ökoszisztémába, hajlamosak a talajban maradni, ha fokozatosabban szivárognak be, akkor viszont a vízben vernek tanyát. És bárhol is halmozódjanak fel, ott huzamosabb ideig változatlanul megmaradnak.

A CEINT közben megkezdte a kísérletek újabb körét, ezúttal a nanorészecskéket is tartalmazó, összetettebb anyagok ökológiai hatásait vizsgálják, vagyis azt, hogy mi történik, ha nanoanyag tartalmú naptej vagy egyéb produktum kerül ki a környezetbe.

Meglepően hézagos tehát a nanorészecskékről alkotott tudásunk, főleg ahhoz képest, hogy milyen elterjedt ezen anyagok használata. Ez remélhetőleg változni fog az elkövetkező időszakban, egy dolog ugyanis biztos: mielőtt továbblépünk a nanotechnológiában, és egyre közelebb kerül az olyan sci-fi ihlette elképzelések megvalósulása, mint például a nanobotok, mindenképp kiterjedtebb ismereteket kell szereznünk annak a világnak a törvényszerűségeiről, amelyben ezek operálni fognak. 

Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

5. lorddiablo
2013.02.06. 11:08
Kíváncsi leszek, hogy mire jutnak. Bár nanorészecskék léteznek a természetben is biztosan, de azok nem tiszta anyagok, így fontos, hogy minél hamarabb kiderüljön ezek hatása. Nem is gondoltam volna, hogy már ilyen széles körben alkalmazzák ezeket.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
4. pogi67
2013.02.06. 12:48
Már eddig sem tetszett a sok "E" betű, de most egy kicsit megijedtem.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
3. mikej95
2013.02.06. 16:28
pogi67: Jól kitalálták, E neve mindennek van a konyhasótól kezdve az elemi kénen(ami antioxidáns) indigón át a rákkeltő e-cigaretta adalékanyagokig és így az embernek fogalma sincs, hogy jót jelent-e amit a csomagon lát. A nanorészecskéket pedig fel sem kell tüntetni hiszen kimutatni sem lehet nagyon őket.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2. Szefmester
2013.02.06. 16:46
mikej95: had segítsek, E300-309 között vannak a vitaminok.. de itt nézelődj E-betűk Én ha tehetem az E900 felettieket kerülöm de mint ajjaj.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
1. Narval
2013.02.07. 17:39
Ez valóban egy egészen különleges világ. Ne felejtsük el, hogy (mint a tudomány olyan sok területén is) a magyarok ebben is vitathatatlan érdemeket szereztek. Elég hogy ha például Dékány Imre professzorra gondolunk, akinek az irányítása alatt fejlesztették ki azt a bizonyos titánium-dioxid oldatot, amellyel a falfirkákat lehet eltüntetni némi nemű napfény segítségével.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!