Национальная нанотехнологическая инициатива определила нанотехнологию как манипулирование материей, по крайней мере, в одном измерении размером от 1 до 100 нанометров (нм). В этом масштабе, широко известном как наномасштаб , площадь поверхности и квантово-механические эффекты становятся важными при описании свойств материи. Определение нанотехнологии включает в себя все виды исследований и технологий, связанных с этими особыми свойствами. Поэтому часто встречается форма множественного числа «нанотехнологии», а также «наномасштабные технологии» для обозначения широкого спектра исследований и приложений, общей чертой которых является размер. [1] Более раннее описание нанотехнологии указывало на конкретную технологическую цель точного манипулирования атомами и молекулами для изготовления макромасштабных продуктов, которые теперь также называются молекулярными нанотехнологиями . [2]
Нанотехнология, определяемая размером, естественно, широка и включает в себя такие разнообразные области науки, как наука о поверхности , органическая химия , молекулярная биология , физика полупроводников , хранение энергии , [3] [4] инженерия , [5] микропроизводство , [6] и молекулярная инженерия. . [7] Связанные с этим исследования и применения столь же разнообразны: от расширения традиционной физики устройств до совершенно новых подходов, основанных на молекулярной самосборке , [8] от разработки новых материалов с размерами наномасштаба до прямого контроля над материей на атомном уровне. шкала .
Ученые в настоящее время обсуждают будущие последствия нанотехнологий . Нанотехнологии могут быть способны создать множество новых материалов и устройств с широким спектром применений , например, в наномедицине , наноэлектронике , производстве энергии из биоматериалов и потребительских товарах. С другой стороны, нанотехнологии поднимают многие из тех же проблем, что и любая новая технология, включая опасения по поводу токсичности и воздействия наноматериалов на окружающую среду [9] и их потенциального воздействия на глобальную экономику, а также предположения о различных сценариях конца света . Эти опасения привели к дебатам среди правозащитных групп и правительств о том, оправдано ли специальное регулирование нанотехнологий .
Концепции, положившие начало нанотехнологиям, впервые были обсуждены в 1959 году физиком Ричардом Фейнманом в его докладе « Там внизу много места» , в котором он описал возможность синтеза посредством прямого манипулирования атомами.
Термин «нанотехнология» впервые был использован Норио Танигучи в 1974 году, хотя он не получил широкой известности. Вдохновленный концепциями Фейнмана, К. Эрик Дрекслер использовал термин «нанотехнология» в своей книге 1986 года « Машины созидания: грядущая эра нанотехнологий », в которой была предложена идея наномасштабного «ассемблера», который был бы способен создавать копию самого себя и других предметов произвольной сложности с атомарным контролем. Также в 1986 году Дрекслер стал соучредителем Института Форсайта (с которым он больше не связан), чтобы помочь повысить осведомленность общественности и понимание концепций и последствий нанотехнологий.
Появление нанотехнологии как области в 1980-х годах произошло благодаря сближению теоретических и общественных работ Дрекслера, которые разработали и популяризировали концептуальную основу нанотехнологии, и заметных экспериментальных достижений, которые привлекли дополнительное широкомасштабное внимание к перспективам атомного контроля над атомной энергией. иметь значение. В 1980-х годах два крупных прорыва вызвали рост нанотехнологий в современную эпоху. Во-первых, изобретение сканирующего туннельного микроскопа в 1981 году, который позволил визуализировать отдельные атомы и связи и который был успешно использован для манипулирования отдельными атомами в 1989 году. Разработчики микроскопа Герд Бинниг и Генрих Рорер из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе получили Нобелевскую премию по физике. в 1986 году. [10] [11] Бинниг, Квейт и Гербер также изобрели аналогичный атомно-силовой микроскоп в том же году.
Во-вторых, фуллерены были открыты в 1985 году Гарри Крото , Ричардом Смолли и Робертом Керлом , которые вместе получили Нобелевскую премию по химии 1996 года . [12] [13] C 60 изначально не описывался как нанотехнология; этот термин использовался в отношении последующих работ с соответствующими углеродными нанотрубками (иногда называемыми графеновыми трубками или трубками Баки), которые предполагали потенциальное применение для наноразмерной электроники и устройств. Открытие углеродных нанотрубок во многом приписывается Сумио Иидзиме из NEC в 1991 году [14] , за что Иидзима получил в 2008 году первую премию Кавли в области нанонауки.
В начале 2000-х годов эта область привлекла повышенное научное, политическое и коммерческое внимание, что привело как к противоречиям, так и к прогрессу. Разногласия возникли относительно определений и потенциальных последствий нанотехнологий, примером которых является отчет Королевского общества по нанотехнологиям. [15] Были подняты проблемы относительно осуществимости приложений, предусмотренных сторонниками молекулярной нанотехнологии, кульминацией которых стали публичные дебаты между Дрекслером и Смолли в 2001 и 2003 годах. [16]
Тем временем начала появляться коммерциализация продуктов, основанных на достижениях в области нанотехнологий. Эти продукты ограничиваются массовым применением наноматериалов и не требуют атомного контроля над материей. Некоторые примеры включают платформу Silver Nano для использования наночастиц серебра в качестве антибактериального агента, прозрачные солнцезащитные кремы на основе наночастиц , усиление углеродного волокна с использованием наночастиц кремнезема и углеродные нанотрубки для устойчивых к пятнам тканей. [17] [18]
Правительства приступили к поощрению и финансированию исследований в области нанотехнологий, например, в США с помощью Национальной нанотехнологической инициативы , которая формализовала определение нанотехнологии на основе размера и установила финансирование исследований в наномасштабе, а также в Европе через Европейские рамочные программы исследований и Технологическое развитие .
К середине 2000-х годов началось новое серьезное научное внимание. Появились проекты по созданию дорожных карт нанотехнологий [19] [20] , которые сосредоточены на атомарно точном манипулировании материей и обсуждают существующие и прогнозируемые возможности, цели и приложения.
Нанотехнология — это наука и разработка функциональных систем на молекулярном уровне. Это охватывает как текущую работу, так и более продвинутые концепции. В своем первоначальном смысле нанотехнология относится к прогнозируемой способности создавать предметы снизу вверх, используя методы и инструменты, разрабатываемые сегодня, для создания полноценных, высокопроизводительных продуктов.
Один нанометр (нм) равен одной миллиардной, или 10 -9 метра. Для сравнения, типичная длина связи углерод-углерод или расстояние между этими атомами в молекуле находится в диапазоне 0,12–0,15 нм , а двойная спираль ДНК имеет диаметр около 2 нм. С другой стороны, самые маленькие клеточные формы жизни, бактерии рода Mycoplasma , имеют длину около 200 нм. По соглашению, под нанотехнологией понимается диапазон масштабов от 1 до 100 нм в соответствии с определением, используемым Национальной инициативой по нанотехнологиям в США. Нижний предел определяется размером атомов (самые маленькие атомы есть у водорода, кинетический диаметр которых составляет примерно четверть нм ), поскольку нанотехнологии должны строить свои устройства из атомов и молекул. Верхний предел более или менее произволен, но он соответствует размеру, ниже которого явления, не наблюдаемые в более крупных структурах, начинают становиться очевидными и могут быть использованы в наноустройствах. [21] Эти новые явления отличают нанотехнологию от устройств, которые представляют собой просто миниатюрные версии эквивалентного макроскопического устройства; такие устройства имеют больший масштаб и подпадают под описание микротехнологий . [22]
Если представить этот масштаб в другом контексте, то соотношение нанометра к метру такое же, как у мрамора к размеру Земли. [23] Или иначе: нанометр — это количество вырастающей бороды у среднестатистического мужчины за время, необходимое ему, чтобы поднести бритву к лицу. [23]
В нанотехнологиях используются два основных подхода. При подходе «снизу вверх» материалы и устройства создаются из молекулярных компонентов, которые химически собираются по принципам молекулярного распознавания . [24] При подходе «сверху вниз» нанообъекты создаются из более крупных объектов без контроля на атомном уровне. [25]
Такие области физики, как наноэлектроника , наномеханика , нанофотоника и наноионика, развивались в течение последних нескольких десятилетий, чтобы обеспечить фундаментальную научную основу нанотехнологий.
Некоторые явления становятся выраженными по мере уменьшения размера системы. К ним относятся статистические механические эффекты, а также квантово-механические эффекты, например « квантово- размерный эффект», когда электронные свойства твердых тел изменяются при значительном уменьшении размера частиц. Этот эффект не проявляется при переходе от макроизмерений к микроизмерениям. Однако квантовые эффекты могут стать значительными, когда достигается нанометровый диапазон размеров, обычно на расстояниях 100 нанометров или меньше, так называемая квантовая сфера . Кроме того, ряд физических (механических, электрических, оптических и т. д.) свойств изменяются по сравнению с макроскопическими системами. Одним из примеров является увеличение отношения площади поверхности к объему, изменяющее механические, термические и каталитические свойства материалов. К наноионике обычно относят диффузию и реакции на наноуровне, наноструктурные материалы и наноустройства с быстрым транспортом ионов. Механические свойства наносистем представляют интерес для исследований в области наномеханики. Каталитическая активность наноматериалов также открывает потенциальные риски при их взаимодействии с биоматериалами .
Материалы, уменьшенные до наномасштаба, могут проявлять свойства, отличные от тех, которые они проявляют на макроуровне, что позволяет использовать их в уникальных целях. Например, непрозрачные вещества могут стать прозрачными (медь); стабильные материалы могут стать горючими (алюминий); нерастворимые материалы могут стать растворимыми (золото). Такой материал, как золото, химически инертный в обычных масштабах, может служить мощным химическим катализатором на наномасштабах. Большая часть увлечения нанотехнологиями проистекает из этих квантовых и поверхностных явлений, которые материя проявляет на наноуровне. [26]
Современная синтетическая химия достигла того уровня, когда стало возможным получать небольшие молекулы практически любой структуры. Эти методы используются сегодня для производства широкого спектра полезных химикатов, таких как фармацевтические препараты или коммерческие полимеры . Эта способность поднимает вопрос о расширении такого рода контроля на следующий, более высокий уровень, поиске методов сборки этих одиночных молекул в супрамолекулярные ансамбли , состоящие из множества молекул, расположенных четко определенным образом.
Эти подходы используют концепции молекулярной самосборки и/или супрамолекулярной химии для автоматического приведения себя в некоторую полезную конформацию посредством восходящего подхода. Концепция молекулярного распознавания особенно важна: молекулы могут быть сконструированы так, что предпочтение отдается определенной конфигурации или расположению из-за нековалентных межмолекулярных сил . Правила спаривания оснований Уотсона-Крика являются прямым результатом этого, равно как и специфичность фермента , нацеленного на один субстрат , или специфическое сворачивание самого белка . Таким образом, два или более компонента могут быть спроектированы так, чтобы они дополняли друг друга и были взаимно привлекательны, образуя более сложное и полезное целое.
Такие подходы «снизу вверх» должны позволять производить устройства параллельно и быть намного дешевле, чем методы «сверху вниз», но потенциально могут оказаться неэффективными по мере увеличения размера и сложности желаемой сборки. Большинство полезных структур требуют сложного и термодинамически маловероятного расположения атомов. Тем не менее, в биологии существует множество примеров самосборки, основанной на молекулярном распознавании , в первую очередь спаривание оснований Уотсона-Крика и взаимодействия фермент-субстрат. Проблема нанотехнологий заключается в том, можно ли использовать эти принципы для создания новых конструкций в дополнение к естественным.
Молекулярная нанотехнология, иногда называемая молекулярным производством, описывает инженерные наносистемы (наномасштабные машины), работающие на молекулярном уровне. Молекулярная нанотехнология особенно связана с молекулярным ассемблером — машиной, которая может производить желаемую структуру или устройство атом за атомом, используя принципы механосинтеза . Производство в контексте производственных наносистем не связано и должно быть четко отделено от традиционных технологий, используемых для производства наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки и наночастицы.
Когда термин «нанотехнология» был независимо придуман и популяризирован Эриком Дрекслером (который в то время не знал о более раннем использовании его Норио Танигучи), он относился к будущей производственной технологии, основанной на молекулярных машинных системах. Предпосылка заключалась в том, что биологические аналогии традиционных компонентов машин на молекулярном уровне продемонстрировали, что молекулярные машины возможны: из бесчисленных примеров, найденных в биологии, известно, что могут быть созданы сложные, стохастически оптимизированные биологические машины .
Есть надежда, что развитие нанотехнологий сделает возможным их создание другими способами, возможно, с использованием биомиметических принципов. Однако Дрекслер и другие исследователи [27] предположили, что передовые нанотехнологии, хотя, возможно, первоначально реализованные с помощью биомиметических средств, в конечном итоге могут быть основаны на принципах машиностроения, а именно, технологии производства, основанной на механической функциональности этих компонентов (таких как шестерни, подшипники, двигатели и элементы конструкции), которые позволят осуществлять программируемую позиционную сборку в соответствии с атомарной спецификацией. [28] Физические и инженерные характеристики образцовых конструкций были проанализированы в книге Дрекслера « Наносистемы: молекулярное оборудование, производство и вычисления» . [2]
Вообще собрать устройства в атомном масштабе очень сложно, так как приходится располагать атомы на других атомах сопоставимого размера и липкости. Другая точка зрения, выдвинутая Карло Монтеманьо [29], заключается в том, что будущие наносистемы будут гибридами кремниевых технологий и биологических молекулярных машин. Ричард Смолли утверждал, что механосинтез невозможен из-за трудностей механического манипулирования отдельными молекулами.
Это привело к обмену письмами в публикации ACS Chemical & Engineering News в 2003 году. [30] Хотя биология ясно демонстрирует, что молекулярные машинные системы возможны, небиологические молекулярные машины сегодня находятся только в зачаточном состоянии. Лидерами исследований небиологических молекулярных машин являются Алекс Зеттл и его коллеги из лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли. [31] Они сконструировали как минимум три различных молекулярных устройства, движение которых контролируется с рабочего стола с помощью изменяющегося напряжения: нанотрубный наномотор , молекулярный актуатор [32] и наноэлектромеханический релаксационный генератор. [33] Дополнительные примеры см. в разделе «Нанотрубный наномотор» .
Эксперимент, показывающий, что позиционная молекулярная сборка возможна, был проведен Хо и Ли в Корнелльском университете в 1999 году. Они использовали сканирующий туннельный микроскоп, чтобы переместить отдельную молекулу окиси углерода (CO) к отдельному атому железа (Fe), сидящему на плоском серебряном предмете. кристалл и химически связал CO с Fe, приложив напряжение.
Область наноматериалов включает в себя подобласти, которые разрабатывают или изучают материалы, обладающие уникальными свойствами, обусловленными их наноразмерными размерами. [36]
Они стремятся объединить более мелкие компоненты в более сложные сборки.
Они стремятся создавать устройства меньшего размера, используя более крупные для управления их сборкой.
Они стремятся разработать компоненты с желаемой функциональностью, не обращая внимания на то, как они могут быть собраны.
Эти подполя направлены на то, чтобы предвидеть , какие изобретения могут дать нанотехнологии, или попытаться предложить программу, по которой могут развиваться исследования. Они часто рассматривают нанотехнологию в целом, уделяя больше внимания ее социальным последствиям, чем деталям того, как на самом деле могут быть созданы такие изобретения.
Наноматериалы можно разделить на 0D, 1D, 2D и 3D наноматериалы . Размерность играет важную роль в определении характеристик наноматериалов, включая физические, химические и биологические характеристики. С уменьшением размерности наблюдается увеличение отношения поверхности к объему. Это указывает на то, что наноматериалы меньшего размера имеют большую площадь поверхности по сравнению с 3D-наноматериалами. В последнее время двумерные (2D) наноматериалы широко исследуются для применения в электронной , биомедицинской , доставке лекарств и биосенсорах .
Есть несколько важных современных событий. Атомно -силовой микроскоп (АСМ) и сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — две ранние версии сканирующих зондов, положивших начало нанотехнологиям. Существуют и другие виды сканирующей зондовой микроскопии . Хотя концептуально они похожи на сканирующий конфокальный микроскоп , разработанный Марвином Мински в 1961 году, и сканирующий акустический микроскоп (SAM), разработанный Кэлвином Куэйтом и его коллегами в 1970-х годах, новые сканирующие зондовые микроскопы имеют гораздо более высокое разрешение, поскольку они не ограничены длиной волны. звук или свет.
Кончик сканирующего зонда также можно использовать для манипулирования наноструктурами (процесс, называемый позиционной сборкой). Методика объектно-ориентированного сканирования может стать многообещающим способом реализации этих наноманипуляций в автоматическом режиме. [54] [55] Однако это все еще медленный процесс из-за низкой скорости сканирования микроскопа.
Также были разработаны различные методы нанолитографии, такие как оптическая литография , рентгеновская литография , нанолитография пером, электронно-лучевая литография или литография наноимпринтов . Литография — это метод изготовления сверху вниз, при котором объемный материал уменьшается в размерах до наноразмерного рисунка.
Другая группа нанотехнологических методов включает методы, используемые для изготовления нанотрубок и нанопроводов , методы, используемые в производстве полупроводников, такие как литография глубоким ультрафиолетом, электронно-лучевая литография, обработка сфокусированным ионным лучом, литография наноимпринтов, осаждение атомных слоев и осаждение молекулярной паровой фазы, а также включающие методы молекулярной самосборки, например, с использованием диблок-сополимеров. Предшественники этих методов предшествовали эпохе нанотехнологий и представляют собой продолжение развития научных достижений, а не методов, которые были разработаны с единственной целью создания нанотехнологий и которые были результатами нанотехнологических исследований. [56]
Подход «сверху вниз» предполагает, что наноустройства должны создаваться поэтапно по частям, подобно тому, как изготавливаются промышленные изделия. Сканирующая зондовая микроскопия является важным методом как для характеристики, так и для синтеза наноматериалов. Атомно-силовые микроскопы и сканирующие туннельные микроскопы можно использовать для изучения поверхностей и перемещения атомов. Разработав различные насадки для этих микроскопов, их можно использовать для вырезания структур на поверхностях и для облегчения управления самособирающимися структурами. Используя, например, подход объектно-ориентированного сканирования, атомы или молекулы можно перемещать по поверхности с помощью методов сканирующей зондовой микроскопии. [54] [55] В настоящее время массовое производство требует больших затрат и времени, но очень подходит для лабораторных экспериментов.
Напротив, восходящие методы строят или выращивают более крупные структуры атом за атомом или молекулу за молекулой. Эти методы включают химический синтез, самосборку и позиционную сборку. Интерферометрия двойной поляризации - один из инструментов, подходящих для определения характеристик самоорганизующихся тонких пленок. Другой вариант подхода «снизу вверх» — молекулярно-лучевая эпитаксия или MBE. Исследователи из Bell Telephone Laboratories , такие как Джон Р. Артур. Альфред Ю. Чо и Арт К. Госсард разработали и внедрили MBE в качестве исследовательского инструмента в конце 1960-х и 1970-х годах. Образцы, полученные с помощью MBE, сыграли ключевую роль в открытии дробного квантового эффекта Холла, за который в 1998 году была присуждена Нобелевская премия по физике. MBE позволяет ученым формировать атомарно точные слои атомов и в процессе создавать сложные структуры. Важный для исследований полупроводников, MBE также широко используется для изготовления образцов и устройств для новой области спинтроники .
Однако новые терапевтические продукты, основанные на чувствительных наноматериалах, таких как ультрадеформируемые, чувствительные к стрессу везикулы Трансферсомы , находятся в стадии разработки и уже одобрены для использования человеком в некоторых странах. [57]
По оценкам Проекта по новым нанотехнологиям , по состоянию на 21 августа 2008 г. общедоступно более 800 нанотехнологических продуктов, идентифицированных производителями, а новые появляются на рынке со скоростью 3–4 в неделю. [18] В рамках проекта все продукты перечислены в общедоступной онлайн-базе данных. Большинство применений ограничиваются использованием пассивных наноматериалов «первого поколения», которые включают диоксид титана в солнцезащитных кремах, косметике, поверхностных покрытиях [58] и некоторых пищевых продуктах; Аллотропы углерода, используемые для производства ленты геккона ; серебро в упаковке пищевых продуктов , одежде, дезинфицирующих средствах и бытовой технике; оксид цинка в солнцезащитных кремах и косметике, поверхностных покрытиях, красках и лаках для уличной мебели; и оксид церия в качестве топливного катализатора. [17]
Дальнейшие применения позволяют теннисным мячам прослужить дольше, мячам для гольфа лететь более прямо и даже шарам для боулинга стать более прочными и иметь более твердую поверхность. Брюки и носки были созданы с использованием нанотехнологий, чтобы они прослужили дольше и сохраняли прохладу летом. Бинты пропитаны наночастицами серебра для более быстрого заживления порезов. [59] Благодаря нанотехнологиям игровые приставки и персональные компьютеры могут стать дешевле, быстрее и содержать больше памяти. [60] Кроме того, для создания структур для вычислений на кристалле с использованием света, например, на кристалле оптической квантовой обработки информации и пикосекундной передачи информации. [61]
Нанотехнологии могут сделать существующие медицинские приложения более дешевыми и простыми в использовании в таких местах, как кабинеты врачей общей практики и дома. [62] Автомобили производятся с использованием наноматериалов таким образом, что автомобильные детали требуют меньше металлов во время производства и меньше топлива для работы в будущем. [63]
Наноинкапсуляция – это технология, предполагающая заключение активных веществ в носители или частицы нанометрового размера. Обычно эти носители представляют собой наночастицы, которые обладают различными преимуществами, такими как повышенная биодоступность, контролируемое высвобождение, адресная доставка и защита инкапсулированных веществ. В области медицины наноинкапсуляция играет важную роль в доставке лекарств и терапевтических стратегиях. Это способствует более эффективному приему лекарств, минимизации побочных эффектов и повышению эффективности лечения за счет инкапсуляции лекарств в наночастицы. Наноинкапсуляция особенно полезна для улучшения биодоступности плохо растворимых в воде лекарств, обеспечения контролируемого и устойчивого высвобождения лекарств и поддержки разработки таргетных методов лечения. Эти функции в совокупности способствуют прогрессу в области медицинского лечения и ухода за пациентами. [64] [65]
Сейчас ученые обращаются к нанотехнологиям в попытке разработать дизельные двигатели с более чистыми выхлопными газами. Платина в настоящее время используется в качестве катализатора дизельных двигателей в этих двигателях. Катализатор – это то, что очищает частицы выхлопных газов. Во-первых, используется катализатор восстановления, который отбирает атомы азота из молекул NOx и освобождает кислород. Затем катализатор окисления окисляет углеводороды и окись углерода с образованием диоксида углерода и воды. [ нужна цитация ] Платина используется как в катализаторах восстановления, так и в катализаторах окисления. [66] Однако использование платины неэффективно, поскольку оно дорого и неэкологично. Датская компания InnovationsFonden инвестировала 15 миллионов датских крон в поиск новых заменителей катализаторов с использованием нанотехнологий. Цель проекта, стартовавшего осенью 2014 года, — максимально увеличить площадь поверхности и минимизировать количество требуемого материала. Объекты имеют тенденцию минимизировать свою поверхностную энергию; Например, две капли воды соединятся, образуя одну каплю и уменьшая площадь поверхности. Если площадь поверхности катализатора, подвергающаяся воздействию выхлопных газов, максимизируется, эффективность катализатора будет максимальной. Команда, работающая над этим проектом, стремится создать наночастицы, которые не будут сливаться. Каждый раз, когда поверхность оптимизируется, материал экономится. Таким образом, создание этих наночастиц повысит эффективность полученного катализатора дизельного двигателя, что, в свою очередь, приведет к более чистым выхлопным газам и снизит стоимость. В случае успеха команда надеется сократить использование платины на 25%. [67]
Нанотехнологии также играют заметную роль в быстро развивающейся области тканевой инженерии . При разработке каркасов исследователи пытаются имитировать наноразмерные особенности микроокружения клетки, чтобы направить ее дифференцировку по подходящей линии. [68] Например, при создании каркасов для поддержки роста костей исследователи могут имитировать ямки резорбции остеокластов . [69]
Исследователи успешно использовали наноботов на основе ДНК -оригами, способных выполнять логические функции, для целевой доставки лекарств тараканам. Говорят, что вычислительная мощность этих наноботов может быть увеличена до уровня Commodore 64 . [70]
Вызывает обеспокоенность то влияние, которое промышленное производство и использование наноматериалов окажет на здоровье человека и окружающую среду, как показывают исследования нанотоксикологии . По этим причинам некоторые группы выступают за то, чтобы нанотехнологии регулировались правительствами. Другие возражают, что чрезмерное регулирование задушит научные исследования и развитие полезных инноваций. Исследовательские агентства общественного здравоохранения , такие как Национальный институт безопасности и гигиены труда, активно проводят исследования потенциальных последствий для здоровья, вызванных воздействием наночастиц. [71] [72]
Некоторые продукты из наночастиц могут иметь непредвиденные последствия . Исследователи обнаружили, что бактериостатические наночастицы серебра, используемые в носках для уменьшения запаха ног, выделяются при стирке. [73] Эти частицы затем смываются в поток сточных вод и могут уничтожить бактерии, которые являются важнейшими компонентами природных экосистем, ферм и процессов очистки отходов. [74]
Публичные обсуждения восприятия риска в США и Великобритании, проведенные Центром нанотехнологий в обществе, показали, что участники более позитивно относятся к нанотехнологиям для энергетики, чем для здравоохранения, причем применение в здравоохранении поднимает моральные и этические дилеммы, такие как стоимость и доступность. [75]
Эксперты, в том числе директор проекта по новым нанотехнологиям Центра Вудро Вильсона Дэвид Реджески, показали [76] , что успешная коммерциализация зависит от адекватного надзора, стратегии исследования рисков и участия общественности. Беркли, Калифорния, в настоящее время является единственным городом в Соединенных Штатах, где регулируются нанотехнологии; [77] В 2008 году Кембридж, штат Массачусетс, рассматривал возможность принятия аналогичного закона, [78] но в конечном итоге отклонил его. [79]
Нановолокна используются в нескольких областях и в различных продуктах: от крыльев самолетов до теннисных ракеток. Вдыхание переносимых по воздуху наночастиц и нановолокон может привести к ряду легочных заболеваний , например фиброзу . [80] Исследователи обнаружили, что когда крысы вдыхали наночастицы, они оседали в мозге и легких, что приводило к значительному увеличению биомаркеров воспаления и реакции на стресс [81] , а также что наночастицы вызывают старение кожи вследствие окислительного стресса у лысых мышей. [82] [83]
Двухлетнее исследование, проведенное в Школе общественного здравоохранения Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, показало, что у лабораторных мышей, потребляющих диоксид нанотитана, обнаружено повреждение ДНК и хромосом, «связанное со всеми основными убийцами человека, а именно с раком, болезнями сердца, неврологическими заболеваниями и старением». [84]
Исследование Nature Nanotechnology предполагает, что некоторые формы углеродных нанотрубок – символ «нанотехнологической революции» – могут быть столь же вредными, как и асбест , если их вдыхать в достаточных количествах. Энтони Ситон из Института профессиональной медицины в Эдинбурге, Шотландия, который участвовал в написании статьи об углеродных нанотрубках , сказал: «Мы знаем, что некоторые из них, вероятно, могут вызывать мезотелиому. Поэтому с такими материалами нужно обращаться очень осторожно». [85] В отсутствие конкретных правил со стороны правительств, Полл и Лайонс (2008) призвали исключить искусственные наночастицы из пищевых продуктов. [86] В газетной статье сообщается, что у рабочих лакокрасочной фабрики развилось серьезное заболевание легких, и в их легких были обнаружены наночастицы. [87] [88] [89] [90]
Призывы к более жесткому регулированию нанотехнологий раздавались одновременно с растущими дебатами, связанными с рисками для здоровья и безопасности человека, связанными с нанотехнологиями. [91] Ведутся серьезные споры о том, кто несет ответственность за регулирование нанотехнологий. Некоторые регулирующие органы в настоящее время охватывают некоторые нанотехнологические продукты и процессы (в разной степени) – «привязывая» нанотехнологии к существующим правилам – в этих режимах существуют явные пробелы. [92] Дэвис (2008) предложил нормативную дорожную карту, описывающую шаги по устранению этих недостатков. [93]
Заинтересованные стороны, обеспокоенные отсутствием нормативной базы для оценки и контроля рисков, связанных с выбросом наночастиц и нанотрубок, проводят параллели с губчатой энцефалопатией крупного рогатого скота («коровье бешенство»), талидомидом , генетически модифицированными продуктами питания, [94] ядерной энергетикой, репродуктивной технологии, биотехнология и асбестоз . Эндрю Мейнард, главный научный советник Проекта по новым нанотехнологиям Центра Вудро Вильсона, заключает, что финансирование исследований в области здоровья и безопасности человека недостаточно, и в результате в настоящее время существует ограниченное понимание рисков для здоровья и безопасности человека, связанных с нанотехнологиями. [95] В результате некоторые ученые призвали к более строгому применению принципа предосторожности с задержкой утверждения маркетинга, усиленной маркировкой и дополнительными требованиями к разработке данных о безопасности в отношении определенных форм нанотехнологий. [96]
Отчет Королевского общества [15] выявил риск высвобождения наночастиц или нанотрубок во время утилизации, уничтожения и переработки и рекомендовал «производителям продукции, на которую распространяются режимы расширенной ответственности производителей , такие как правила об окончании срока службы, публиковать процедуры, описывающие, как эти материалы будут управляться таким образом, чтобы свести к минимуму возможное воздействие на человека и окружающую среду» (стр. xiii).
Центр нанотехнологий в обществе обнаружил, что люди по-разному реагируют на нанотехнологии, в зависимости от их применения – при этом участники публичных обсуждений более позитивно относятся к нанотехнологиям для энергетики, чем к приложениям в здравоохранении – предполагая, что любые публичные призывы к нанорегулированию могут различаться в зависимости от технологического сектора. [75]
{{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
