piątek, 29 listopada 2013

Nanotechnologia - cz.1

Nanotechnologia

Zapraszamy na krótki cykl wpisów na temat nanotechnologii. Dziś przybliżymy to zagadnienie, natomiast w kolejnych wpisach zajmiemy się bardziej szczegółowo rozwiązaniami w medycynie.

Nanotechnologia, w wielkim skrócie jest inżynierią obiektów, których wielkość oscyluje
w granicach do kilkudziesięciu nanometrów. Na chwile obecną głównie badania prowadzone są szczególnie w tematach informatyki, chemii, biologii, inżynierii jaki i medycynie. Dziedzinach, które maja bezpośredni wpływ na jakość życia i zdrowia człowieka.


Trochę historii, aż po dzień dzisiejszy
Nanotechnologia, jako pojęcie zadebiutowała dopiero w roku 1974 dzięki japońskiemu badaczowi Norio Taniguchi, opisując możliwości jakie niesie za sobą inżynieria materiałów na poziomie nano. Jednak dużo wcześniej bo w 1959 r. na zjeździe Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego – There is a planty of room at the bottom jeden z fizyków Richard Feyman poprowadził wykład, w którym postawił tezę, iż brak jest jakichkolwiek dowodów w świecie fizyki, które dowodzą że operowanie pojedynczymi atomami jest niemożliwe. Jedynym ograniczeniem w tamtych czasach był fakt, iż nie dysponowano odpowiednio precyzyjnymi urządzeniami czy też technikami. Dopiero w 1981 r. (nagroda Nobla 1986 r.) zespół naukowców z IBM skonstruował mikroskop tunelowy. Urządzenie, które pozwalało na szczegółowe zbadanie struktury materiałów, oraz co ważniejsze, możliwość operacji na nich z dokładnością do pojedynczych atomów.




Kolejnym milowym krokiem w rozwoju nanotechnologii było odkrycie fullereny (nagroda Nobla 1996 r.) czy też nanorurek węglowych (1991 r). Fuleren, alotropowa odmiana węgla, w skład której wchodzi od kilkudziesięciu do ok. tysiąca atomów węgla, które tworzą zamkniętą strukturę kulistą. Ich wysoka aktywność chemiczna oraz szeroki zakres reakcji chemicznych w jakich mogą brać udział, powodują iż dodawane ich do struktur polimerów, przyczyniają się do stworzenia nowych kopolimerów o określonych właściwościach fizycznych i mechanicznych. Fulereny mogą również być jednym z elementów kompozytów. W medycynie szczególnym zainteresowaniem cieszy się fuleren C60, który docelowo umieszczany jest wewnątrz hydrofobowej przestrzeni wirusa HIV. Dzięki swoim właściwością utrudnia on dostęp substratów do miejsca aktywnego enzymu. Dodatkowo C60, w kontakcie ze światłem tworzy spore ilości kwantów tlenu singletowego. Zjawisko to, w połączeniu z bezpośrednim transferem elektronu ze wzbudzonego stanu fulerenu i aminokwasami DNA, może być wykorzystane np. do przecinania nici DNA.


Nanorurki węglowe jako kolejna struktura charakteryzują się walcowatym kształtem, natomiast zamknięte w niej warstwy atomów maja wielkość kilku nanometrów, a sięgają max. nawet kilku centymetrów długości.


W przypadku obu tych nanomateriałów mamy do czynienia z właściwościami, które nie są spotykane
w przypadku typowych materiałów, wytwarzanych w klasyczny sposób.



Nanocząsteczki czyli …

Nanocząsteczki oraz nanomateriały posiadają cały pakiet właściwości chemicznych oraz fizycznych, które są charakterystyczne dla skali makro, czyli z jednej strony podlegają one prawom fizyki klasycznej, ale z racji wielkości są dla nich właściwe także zachowania opisywane przez fizykę kwantową.


Wykazują cechy, min. elektryczne i optyczne, które znacznie odróżniają je od materiałów w rozmiarach makro. Dualizm tych cząsteczek jest jedną z największych zalet tego rodzaju obiektów. Dodatkowo cecha to rozmiar nanocząsteczek, który pozwala na przenikanie przez większość barier, a także i tych na poziomie bioorganicznym. Nanocząsteki charakteryzuje także, znacznie bardziej rozwinięta powierzchnia właściwa w porównaniu do materiałów skali makro. Silnie rozwinięta powierzchnia właściwa niektórych nanocząstek i materiałów z nich zbudowanych powoduje, że posiadają one bardzo dobre właściwości adsorpcyjne co przekłada się następnie na ich wyjątkowe właściwości podczas użytkowania, tak różne od tradycyjnych zjawisk.



Nanomateriały w porównaniu do klasycznych obiektów wyróżniają się min. takimi właściwościami jak:

· większa twardość,

· większa wytrzymałość,

· większa odporność na pełzanie, co pozwala na wytwarzanie materiałów do stosowania w najwyższych temperaturach,

· większa biokompatybilność biomateriałów nanometrycznych,

· oryginalne bądź wzmocnione zdolności adsorpcyjne i absorpcyjne,

· większa odporność chemiczna,

· większa hydrofilowość niektórych nanomateriałów.



Przyszłość i zagrożenia ….

Co będziemy mogli zaobserwować w przyszłości to, to iż nanotechnologia będzie z dużym prawdopodobieństwem intensywnie rozwijana, tak jak ma to miejsce w chwili obecnej. Jednak pomimo wielu zalet wciąż rodzi się pytanie, na ile nanotechnologia jest bezpieczna. Bezpieczeństwo stosowania nanotechnologii, a właściwie produktów, które tworzymy z jej udziałem, stanowi temat wielu rozpraw. Pomimo starań nadal z trudem udaje się precyzyjnie określić bezpieczeństwo stosowania nanoproduktów i nanotechnologii.


Jednak z drugiej strony czy zagrożenie jest, aż tak duże? Popatrzmy np. na istniejące od lat w powszechnym użyciu naoobiekty: między innymi układy scalone, które nie wykazują żadnych szkodliwych oddziaływań dla człowieka oraz środowiska. Z wyników opublikowanymi przez The Royal Society & The Royal Academy of Engineering w 2004 roku, wynika, że największe zagrożenie mogą stanowić wolne pojedyncze nanocząstki. Największe w nich niebezpieczeństwo wiąże się z umiejętnością ewentualnego przenikania ich przez większość barier, co wynika z ich niewielkich rozmiarów.


Dodatkowo, dość istotny jest temat samej produkcji nanoobiektów, która wiązać może się z bezpośrednio ryzykiem np. przedostawania się do środowiska zanieczyszczeń w skali nanometrycznej czy produktów nanometrycznych, które nie jesteśmy w stanie zatrzymać przez stosowane obecnie bariery.


Kolejny problem jaki możemy napotkać to nanoobiekty, które bez problemu mogą dostać się ze środowiska do wnętrza organizmów żywych i tam, ze względu charakterystyczne tylko dla nich właściwości, stać się szkodliwe, nawet jeżeli te same materiały w skali makro, z których wykonano dany nanowyrób, są w pełni bezpieczne.


Największy jednak niepokój powinien wzbudzać fakt, iż w chwili obecnej brak jakichkolwiek metod, technik kontroli zarówno w procesie produkcji czy też już w fazie użytkowania. Spowodowane jest to tym, iż na dzień dzisiejszy wciąż nie posiadamy środków technicznych do monitorowania np. środowiska naturalnego, które badałyby obecność i oddziaływanie nanocząsteczek i nanomateriałów, a co więcej brak jasnych przepisów zarówno w sferze lokalnej czy też, globalnej regulujących prowadzenie podobnych kontroli.


Jak zdążyliśmy już zauważyć nanonauka jest dziedziną stosunkowo młodą, wiele rozwiązań z użyciem nanotechnologii pozostaje wciąż w sferze idei lub nadal nie ujrzało światła dziennego, ponieważ wciąż tkwią na etapie badań i testów laboratoryjnych. Pomimo tego faktu oraz wszelkich dodatkowych zalet jakie niesie za sobą nanotechnologia nasza czujność nie może zostać uśpiona, ponieważ musimy pamiętać, iż korzyści tj. walka z nowotworami, zwiększenie trwałości materiałów itp. nadal rodzą potencjalne zagrożenia.



Nanonowotwory. 
Co tak naprawdę kryje się pod tym pojęciem?

Przypuszcza się, że formy te będą postępować podobnie jak komórki rakowe. Znajdujące się w naszym organizmie lub środowisku naturalnym nanoprodukty, które uległy uszkodzeniu, prowadzić mogą do:

· nadmiernej niekontrolowanej samoreplikacji powodując liczne szkody,

· zmian wykonywanej funkcji np. zamiast regenerować prowadzić może do uszkodzenia,

· nagromadzanie się w jednym miejscu tworząc formy podobne do komórek nowotworowych.


Jednym z rozwiązań i kontroli może być umieszczenie wewnątrz nanomaszyny specjalnych „bezpieczników”, za pomocą których będzie można wyeliminować pojawiające się problemy oraz na bieżąco śledzić ich działanie z wykorzystaniem nanosensorów.



Toksyczność nanomateriałów

Toksyczność nanotmateriałów jest nadal głównym, najpoważniejszym problemem w powszechnym używaniu wielu technik i wykorzystaniu zastosowań nanoproduktów. Wciąż nie jest do końca pewne jaki wpływ na środowisko mają istniejące nanocząstki. Prowadzone badania nad zmniejszeniem toksyczności nanomateriałów dowodzą że, dodanie do roztworu wodnego nanorurek następujących grup chemicznych: –SO3H, –(COOH)2, –SO3Na, zmieniają ich strukturę. Dzięki takiemu zabiegowi zmniejsza się śmiertelności komórek (badania przeprowadzono na komórkach skóry człowieka) z 50% do kilkunastu (przy odpowiednich stężeniach danych grup). Eksperyment ten jest jednym z dowodów na to, że aby osiągnąć sukces i pozyskać słuszną wiedzę w zakresie toksyczności nanomateriałów należy nieustannie prowadzić badania. Jedynie stuprocentowa wiedza w zakresie toksyczności tych nanozwiązków sprawi, że będą mogły być stosowane świadomie w przemyśle.


Jeśli jednak będziemy eksperymentować już na etapie „nieświadomego konsumenta”, stracimy krok po kroku całkowitą kontrolę, stając się w konsekwencji niewolnikami własnych marzeń o lepszej przyszłości.


autor: Marta Mrówczyńska

Spodobał Ci się temat i chcesz być na bieżąco? Zostaw nam swój e-mail poniżej, a powiadomimy Cię o kolejnym wpisie.



Chcesz być na bieżąco? Wyślemy powiadomienie na Twój adres e-mail.