Nanoteknik är inbäddad i samhället lika mycket som bokstäverna "n-a-n-o" är inbäddade i denna nanostruktur. Frågan är, hur grön är den nanotekniken i fönstret? Se fler gröna vetenskapsbilder. artpartner-images/Getty Images Science-fiction-fans gillar idén, skriven av Arthur C. Clarke, att "någon tillräckligt avancerad teknik går inte att skilja från magi." Med tillkomsten av nanoteknik, de till synes mirakulösa materialen, övernaturlig supraledning och paranormal fotonik som har drivit fantasi i åratal verkar vara precis runt hörnet.
Alla vet att magi kostar, dock, och vissa har börjat ifrågasätta om, när det kolloidala dammet lägger sig från den begynnande nanorevolutionen, den ekologiska balansräkningen visar oss i svart - eller rött. Bland dem finns forskarna, ingenjörer och beslutsfattare som driver grön nanoteknik.
Nanoskala partiklar är inget onaturligt eller nytt. De förekommer i vulkanisk aska, havsspray, mineralkompositer och vissa typer av bakterier, och vi har arbetat med dem sedan minst 400 -talet [källor:Goldman och Coussens; NNI, "Nanoteknik 101"]. Så vad har förändrats? Avancerade mikroskopi- och manipulationsmetoder har nått en tipppunkt, en som gör att vi kan montera tinkerleksaker på skalan för enskilda atomer och DNA -strängar.
Det är en spännande plats att vara.
En nanometer är en miljarddels meter, eller cirka 1/100, 000 tjockleken på ett papper. Om en nanopartikel var lika stor som en marmor, då skulle en meter vara lika stor som jorden [källa:NNI, "Nanoteknik 101"]. Denna förbluffande lilla storlek är bara halva historien, dock. Nanoskalans verkliga magi ligger i de queer -kvantregler som styr den, och hur de ger material med anmärkningsvärda egenskaper. Jämfört med deras makroskopiska ekvivalenter, nanomaterial kan vara starkare, bättre på att leda värme eller el, eller har olika magnetiska egenskaper.
Industrin har varit snabb med att ta vara på potentialen. Nanoteknik har redan funnit sin väg in i hundratals konsumentprodukter och industriella applikationer inklusive datorchips, bilar, sportartiklar, Kläder, kosmetika och kosttillskott. Än, vi är fortfarande bara på tröskeln till vad som är möjligt.
När framsteg accelererar, omtanke om miljön och folkhälsan har gett upphov till ett krav på miljösäkerhet, även fördelaktigt, forskning och utveckling i nanoskala.
Grön nanoteknik innebär två separata men relaterade mål. Å ena sidan, de anmärkningsvärda egenskaperna på nanoskala lovar otaliga sätt att göra befintliga produkter och processer säkrare och mer hållbara. På den andra, forskare hittar alltmer sätt att göra nanoteknik mindre giftigt under hela sin livscykel. I den här artikeln, vi tar en rundtur i hur dessa många tillvägagångssätt spelar ut.
Låt oss nu göra som en leprechaun och bli små och gröna.
Innehåll
Hotet om en nanoteknologiskt framkallad miljökatastrof har väckt i allmänhetens medvetande sedan 1987, när Eric Drexler beskrev domedagens "grey goo" -scenario i sin bok "Engines of Creation". I det, självreplikerande nanomaskiner överskrider planeten, multiplicera exponentiellt och konsumera allt i sikte, lämnar inget annat än den titulära nanomaskinen goo [källor:Feder; Drexler].
Sedan dess, mer rimliga bekymmer, såsom bristen på tillgänglig information om toxicitet och långsiktiga ekologiska effekter av nanopartiklar, har dominerat diskussionen, men det finns också ett grönare sätt att se denna lilla teknik. Nanoteknik kan faktiskt bidra till att förbättra miljön, både genom att ta itu med svårlösliga befintliga problem (kallad äldre problem ) och genom att konstruera hållbara lösningar för framtiden.
Äldre problem finns runt omkring oss. Medan Fukushima Daiichi kärnkraftverk strålläckage och andra incidenter dominerar nyheterna, mer vanliga saneringsutmaningar möter samhällen dagligen, från att städa upp tidigare bensinstationer till att ta itu med mer än 1, 500 Superfund -webbplatser enbart i USA [källa:EPA, "Superfunds nationella prioriteringslista"].
Järn i nanoskala erbjuder ett säkert sätt att neutralisera klorerade organiska lösningsmedel, organiska klorbaserade bekämpningsmedel som DDT och polyklorerade bifenyler (PCB). Tillsätt järnanopartiklar till tetrakloreten (ett vanligt lösningsmedel som används vid kemtvätt) och järnet oxiderar, eller rostar, frigör elektroner. Reaktionen suger upp dessa elektroner, lämnar eten, ett naturligt förekommande kolväte.
Städpersonal kan injicera nanoskalajärn under tryck i förorenad mark, där dess lilla storlek gör att den kan transporteras i grundvatten eller lämnas på plats för långsiktig sanering. Off-site, de är lika användbara i uppslamningsreaktorer eller filtreringssystem. Forskare forskar för närvarande om applikationer för att använda järn i nanoskala för att hantera tungmetaller och radionuklider också [källa:Zhang].
Vi kan vända oss till nanoteknik för att möta mer grundläggande hälsa, mat och säkerhetsbehov, för. Till exempel, nanoskala vattenfiltreringssystem som omvandlar förorenat, bräckt eller avloppsvatten i dricksvatten genom att tryckfiltrera det genom porer för små för bakterier eller virus har använts i mer ett decennium [källa:Bradbury].
Nu när vi har gjort städningen och mer, låt oss titta på några av de sätt som nanoteknik gör vår framtid grönare, för.
FöroreningslösningarEtt av de främsta sätten nanoteknik kan minska föroreningar är genom dematerialisering - minskning av material som krävs för tillverkning. Produkter som kan monteras själv av små komponenter använder mycket mindre material än de vi bygger uppifrån och ner, som genererar avfall och ofta kräver lösningsmedel och kemiska processer. Under tiden, forskare utvecklar också geniala sätt att övervaka föroreningar, såsom nanosensorer som biokemiskt kan upptäcka kontaminering och patogener, i realtid och över stora områden [källa:EPA, "Nanoteknik:sensorer"].
Nanoteknik lovar att förbättra våra miljöutsikter genom att få oss mer för pengarna för vår energi och minska vårt beroende av fossila bränslen. För att se hur, tänk på din familjebil. Fordon konstruerade även delvis av nanomaterial kan vara lättare, och därför mer bränsleeffektiv, utan att offra styrka eller säkerhet. Under huven, nanofilter kan ta bort gunk ur din go-juice, så att din resa pumpar ut mindre föroreningar och får mindre slitage på motorn. Nanocoatings kan göra vindrutor och lackeringar självrengörande för att starta.
Gröna maskiner som hybrider och vätgasfordon kommer att gynnas ännu mer. Ingenjörer utvecklar redan bränsleceller packade med kolnanorör för att lagra väte och öka reaktiviteten. Kolnanorör kan också en dag ersätta dyr platina som vätebränslecellskatalysator, sänka kostnaderna [källa:Battersby].
Tack vare nanofotonik , studier av ljusets beteende på nanoskala, nanoteknik täcker dina energibehov hemma och på kontoret också. Forskare har utvecklat fönster, målar och filmbeläggningar som de kan "stämma" för att reflektera eller överföra specifika våglängder för solstrålning, inklusive den infraröda energin som vi upplever som värme [källa:Feder]. Det är som att göra hela ditt hus till en solskugga under sommaren och en rymdfilt på vintern.
Mer effektiv nanoelektronik kommer att översättas till dimma som slukar mindre energi och lagrar den mer effektivt-en riktig välsignelse i vår gadget-gonzo-ålder [källa:Chmiola]. Kvantprickar , aka halvledande nanokristaller, kan snart driva en displayteknik som förpackar både effektivitet och lång livslängd för ekologiskt ljusdioder ( OLED ) och hållbarheten för katodstrålerör (CRT) och flytande kristallskärmar (LCD) [källa:Dumé].
Längre upp i energirörledningen, nanovetenskap ger hopp om att förstärka alternativa energikällor. Solpaneler som skrivs ut med nanopartiklar kräver färre komponenter för att fungera, vilket betyder att det finns mindre att reparera, underhålla eller senare begrava på en deponi. Med lägre driftskostnader, sådana paneler kan producera mindre effekt och ändå vara lönsamma [källa:Markoff]. Forskare har också drömt om ett sätt att extrahera energi från salthaltskillnaden mellan havsvatten och flodvatten. Tekniken bygger på batterier som består av elektroder som borstar med nanoroder [källa:La Mantia].
Nu tänker du nog, "Det är väl och bra, men hur gröna kan nanotekniska lösningar vara om det skapar en giftig röra att bygga dem? "Som vi kommer att se i det här nästa avsnittet, många forskare och ingenjörer är oroliga för just dessa frågor, och strävar efter att göra nanoteknik grönare från början.
Ytans lilla underverkFörhållandet mellan någons yta och dess volym påverkar dess energibalans och reaktivitet. Helst, att bygga en mer effektiv elektrod eller katalysator, du skulle helt enkelt packa så mycket yta som möjligt i en given volym. Tyvärr, detta magiska förhållande minskar när saker och ting växer upp, särskilt i kompakta former som sfärer eller rutor.
Tricket är att använda en mindre kompakt form, som ett rör. Som framgår av mänskliga tarmar och lungbrachia, lång, tunna strukturer fastnar mycket yta i ett litet utrymme. Med detta i åtanke, det är ingen överraskning att forskare för närvarande lägger till nanorör till lysdioder, bränsleceller, elektriska anordningar och katalysatorer.
Läs mer
Med tanke på miljöförödelsen som orsakas av andra till synes fördelaktiga ämnen, som DDT, det är inte konstigt att vi hälsar på konstiga uppfinningar som kolnanorör och kvantprickar med skepsis, särskilt när vi vet så lite om deras långsiktiga effekter eller toxicitet [källa:Goodman].
Ytterligare bränsle för dessa bekymmer är medicinska fynd som avslöjar de skadliga effekterna av vissa nanopartiklar, såsom kolnanorör, som orsakar lunggranulom (sfärer av celler associerade med sjukdom) vid inandning av råttor. Effekterna av andra nanopartiklar är fortfarande otydliga - särskilt när det gäller människor - men studier pekar på att nanoserade ingredienser i vissa solskyddsmedel orsakar hjärnskador hos möss och regnbåge genom oxidativ stress [källor:Karn; Choi; Raloff].
Naturliga alternativ till nanoskala tillverkning kan ha nyckeln till att mildra sådana problem. När det gäller solskyddsmedel, till exempel, forskare har hittat en potentiellt säkrare nanopartikel i engelska murgröna. Vinstockens ökända hållfasthet härrör från ett gulaktigt "superlim" som utstrålas av sina senor, som består av nanopartiklar fyra gånger effektivare som solskydd än titandioxid eller järnoxid. Partiklarna är biologiskt nedbrytbara, vattenresistent och blockerar bara UV-strålar [källa:Raloff].
Helst, syntetisk nanoskala konstruktion skulle fungera som en cell, med enkel, icke -toxiska ämnen vid rumstemperatur för att montera en produkt från grunden och sedan återvinna eller effektivt förstöra resterna. Tills sådana tekniker är möjliga, gröna forskare ser alltmer mot att använda naturliga processer för inspiration och för säkra alternativ till lösningsmedel och andra farliga processer.
Forskare har redan hittat sätt att använda vissa bakterier för att skapa nanosfärer av selen, tellur, zinkselenid och kadmiumselenid vid rumstemperatur, minska beroende av höga temperaturer, tryck och farliga kemikalier [källa:NNI, "U.S. Geological Survey (USGS)"].
Naturliga kemikalier, som fytokemikalier som förekommer naturligt i växter, presentera ett annat grönt alternativ. Ta guld i nanoskala, ett ämne med tillämpningar i bränsleceller, kemiska sensorer och biologiska verktyg [källor:Tufts; Greenberg]. Det som en gång krävde stora mängder brandfarliga och explosiva giftiga lösningsmedel kan nu tillverkas med endast ett guldsalt (en elektriskt neutral förening av guld) och en lösning av Darjeeling -te, kanel eller kummin [källor:Schmidt, Nune et al.].
Lika spännande som möjligheterna är, hittills finns de mest inspirerande gröna nanoteknologierna kvar i forskarnas fantasi. Om eller när de utvecklas, de kommer att behöva ekonomiskt stöd och marknadsstöd för att hjälpa dem att bli överkomliga och uppnå utbredd användning [källa:Goodman].
Tills dess, vi kan alla göra vårt för att göra jorden till en mer hållbar plats - i alla skalor.
Nanopartiklar i människokroppenEftersom nanopartiklar är så små, de ignorerar de flesta skyddande strukturerna i kroppen, inklusive blod-hjärnbarriären som skyddar vår grå substans mot skadliga ämnen. Vid inandning eller injektion, dessa små stuvningar cirkulerar genom blodomloppet och avsätts i organ och vävnader, där de kan bygga upp. När kroppens immunsvar börjar, det kan orsaka överproduktion av vissa kemikalier:sådana som är nödvändiga för ämnesomsättningen, men giftigt när det kastas ur balans. Denna "oxidativa stress" är särskilt skadlig för organ med höga metaboliska krav, som hjärnan [källa:Lång].
Källor
