Десятилетия исследований и разработок в области нанонауки и нанотехнологий принесли как ожидаемые, так и неожиданные выгоды для нашего общества. Нанотехнологии помогают улучшать продукцию во многих областях, включая безопасность пищевых продуктов, медицину и здравоохранение, энергетику, транспорт, связь, защиту окружающей среды и производство. Он используется в автомобильной, электронной и компьютерной отраслях, а также в производстве товаров для дома, текстиля, косметики - этот список можно продолжить. На рынке уже представлено более 800 продуктов, усовершенствованных с помощью нанотехнологий.
В основе нанотехнологии лежит способность адаптировать основные структуры материалов в наномасштабе для достижения определенных свойств. Вот несколько примеров современной нанотехнологии.
ПРОДОВОЛЬСТВЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
Наносенсоры в упаковке могут обнаруживать сальмонеллу и другие загрязнители в пищевых продуктах.
МЕДИЦИНА
Некоторые из самых захватывающих прорывов в нанотехнологиях происходят в области медицины, позволяя медицине становиться более персонализированной, более дешевой, безопасной и простой в доставке. Потенциал нанотехнологий для улучшения систем доставки лекарств для ряда заболеваний, включая рак, болезни сердца, диабет и другие возрастные заболевания, является областью интенсивных исследований для ученых. Например, прорыв в 2014 году ознаменовался разработкой наноклеток, которые теоретически могут доставлять лекарства, убивающие рак, непосредственно на молекулярном уровне.
Этот метод доставки лекарственного средства позволит снизить необходимую дозу, нацелить на раковые клетки, а не на здоровые клетки, и уменьшить побочные эффекты. Технология все еще проходит испытания и утверждения, но уже в 2016 году могут появиться некоторые реальные приложения.
Другие интересные разработки включают возможность использования нанотехнологий для увеличения роста нервных клеток (например, в поврежденном головном или спинном мозге) и использование нановолокон для восстановления поврежденных спинномозговых нервов (в настоящее время тестируются на мышах).
ЭНЕРГИЯ
Нанотехнологии используются в целом ряде областей энергетики - для повышения эффективности и рентабельности солнечных панелей, создания новых типов батарей, повышения эффективности производства топлива с использованием лучшего катализа и создания более совершенных систем освещения.
АВТОМОБИЛЬНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Наноинженерные материалы входят в ряд продуктов, включая мощные аккумуляторные батареи, топливные добавки, топливные элементы и улучшенные каталитические нейтрализаторы, которые производят более чистые выхлопные газы в течение более длительного периода времени.
СРЕДА
Исследователи разрабатывают наноструктурированные фильтры, которые могут удалять вирусные клетки и другие примеси из воды, что в конечном итоге может помочь создать чистую, доступную и обильную питьевую воду.
Бумажное полотенце из нановолокна, которое может впитывать масло в 20 раз больше своего веса, можно использовать для операций по ликвидации разливов нефти.
Каждая разработка учит нас чему-то о технологии, о том, на что она способна и как мы можем ее усовершенствовать. Эти разработки - только начало.
ЭЛЕКТРОНИКА
Многие новые устройства на основе экранов (телевизоры, телефоны, iPad и т. Д.) Содержат наноструктурированные полимерные пленки, известные как органические светодиоды (OLED). Эти экраны, помимо прочего, ярче, светлее и имеют лучшее качество изображения.
ТЕКСТИЛЬ
Наноразмерные добавки в ткани помогают противостоять образованию пятен, образованию складок и росту бактерий.
КОСМЕТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
Наноразмерные материалы в ряде косметических средств обеспечивают такие функции, как улучшенное покрытие, впитывание или очищение.
Наночастицы придают поверхности этих текстильных волокон структуру, напоминающую листья лотоса, делая волокна водо- и грязеотталкивающими. Источник изображения: BASF / Flickr .
Проблемы с нанотехнологиями
Как и в случае распространения любой новой мощной технологии, нанотехнология может иметь ряд как отрицательных, так и положительных результатов.
По мере того, как инвестиции в нанонауку и нанотехнологии продолжаются, некоторые люди выражают этические, экологические и экономические проблемы. Хотя научно-фантастические теории о «серой слизи» (миллионы самовоспроизводящихся наномашин), способных разрушить мир, являются надуманными, существуют серьезные опасения по поводу других областей нанонауки.
Например, как изготовленные наночастицы взаимодействуют с биологическими системами человеческого тела и какие последствия для здоровья это может иметь? В лабораторных испытаниях было показано, что некоторые наноматериалы влияют на образование волокнистых белковых клубков, аналогичных тем, которые наблюдаются при некоторых заболеваниях головного мозга. Есть некоторые свидетельства того, что наночастицы могут привести к генетическим повреждениям . Наночастицы также были исследованы на предмет их воздействия на сердце и кровеносные сосуды .
Долговременное воздействие наночастиц, особенно по мере того, как они становятся все более распространенными в повседневных предметах, необходимо контролировать. Доктор Сэм Бруски, токсиколог и член Консультативной группы по нанотехнологиям Национальной системы уведомления и оценки промышленных химикатов (NICNAS), отметил, что углеродные нанотрубки, около 5000 тонн которых производятся ежегодно для коммерческого использования, вызывают рак у животных. тестирование, и многие из них напоминают по форме и размеру волокна асбеста.
То, как наноматериалы взаимодействуют с окружающей средой, также требует дальнейшего изучения. То, как частица ведет себя в лаборатории, может сильно отличаться от того, как она ведет себя в воде, воздухе или почве, и как она взаимодействует с органическими веществами. Действительно, поведение наночастиц в окружающей среде зависит не только от их индивидуальных физических и химических характеристик, но и от характера принимающей среды (будь то горячая, влажная, кислая и т. Д.). При воздействии окружающей среды наночастицы могут оставаться неповрежденными или претерпевать один из следующих процессов:
- растворение
- видообразование (ассоциация с другими ионными или молекулярными растворенными химическими веществами)
- поселение
- агломерация/деагломерация
- биологическое или химическое превращение в другие химические вещества.
В этих областях необходимы дальнейшие исследования и создание соответствующих средств контроля в отношении оценки рисков.
Также существует вероятность того, что наноматериалы могут перемещаться из организма в организм или через пищевые цепи. Тот факт, что существует много различных типов наноматериалов, означает, что существует потенциал для широкого спектра эффектов. Некоторые эксперименты показали, что они могут оказывать вредное воздействие на беспозвоночных и рыб, включая изменения в их поведении, развитии и воспроизводстве.
Оценка рисков и тестирование должны идти в ногу с технологией, особенно по мере того, как использование наноматериалов расширяется в производстве все большего количества потребительских товаров. Тестирование должно включать методы оценки воздействия и выявления опасностей. В настоящее время наночастицы, которые обладают наибольшим потенциальным риском, представляют собой свободные нерастворимые наночастицы, например, диспергированные в пыли или жидкости.
Как мы видели, уникальные физико-химические свойства наноматериалов также часто отличаются от свойств объемных материалов и требуют специальной оценки. Несмотря на эти опасения, большинство ученых считают, что нанонаука приведет к огромному прогрессу в медицине, биотехнологии, производстве, информационных технологиях и других столь же разнообразных областях.