När forskare runt om i världen skyndar sig att använda nanoteknik för att förbättra produktionsmetoder för applikationer som sträcker sig från tillverkningsmaterial till att skapa nya läkemedel, det finns en separat men lika övertygande utmaning.

Historien har visat att tidigare industriella revolutioner, sådana som inbegriper asbest och klorfluorkolväten, har haft allvarliga miljöpåverkan. Kan nanoteknik också utgöra en risk?

Linsey Marr och Peter Vikesland, fakultetsmedlemmar i Via Department of Civil and Environmental Engineering vid Virginia Tech, är en del av det nationella centret för miljöimplikationer av nanoteknologi (CEINT), finansierat av National Science Foundation (NSF) 2008. Tillsammans med Michael Hochella, Universitetet framstående professor i geovetenskap, de representerar Virginia Techs ansträngningar i ett nio-medlemmars konsortium som tilldelades 14 miljoner dollar under fem år, från och med 2008. Virginia Techs andel är 1,75 miljoner dollar.

CEINT är dedikerat till att belysa förhållandet mellan ett stort antal nanomaterial - från naturliga, att tillverkas, till dem som produceras för övrigt av mänsklig verksamhet - och deras potentiella miljöexponering, biologiska effekter, och ekologiska konsekvenser. Det kommer att fokusera på öde och transport av naturliga och tillverkade nanomaterial i ekosystem.

Huvudkontor vid Duke University, CEINT är ett samarbete mellan Duke, Carnegie Mellon University, Howard University, och Virginia Tech som kärnmedlemmar, liksom utredare från University of Kentucky och Stanford University. CEINT-akademiska samarbeten i USA inkluderar också pågående aktiviteter som samordnas med fakulteten vid Clemson, North Carolina State, UCLA, och Purdue universitet. På Virginia Tech, CEINT är en del av University's Institute for Critical Technology and Applied Science (ICTAS).

Forskare och ingenjörer i centrum har skisserat planer på att bedriva forskning om nanomaterials möjliga hälsoeffekter på miljön. Planerna innehåller nya tillvägagångssätt, som att skapa en prediktiv toxikologimodell baserad på cellanalyser och bygga ekosystem för att spåra nanopartiklar.

Karakterisering av luftburna partiklar

På ett av de nya sätten Marr genomför sina tester, hon och hennes kollegor odlar mänskliga lungceller och placerar dem i kammare som lämnar lungcellsytan utsatt för luft. Denna placering möjliggör direkt kontakt mellan cellerna och aerosoliserade partiklar vid luft-vätskegränssnittet (ALI). En av Marrs postdoktorala forskare, Amara Hållare, och kollegor från Berkeley har tidigare utsatt cellerna för partiklar i dieselavgaser och en metanlåga. De jämförde ALI -exponeringen med konventionell in vitro -exponering, där partiklar suspenderas i ett flytande cellodlingsmedium.

"Våra resultat visade att inhalationsvägen för ALI -exponering är en relevant in vitro -metod och är mer lyhörd än den konventionella exponeringen för partikelsuspensioner, "avslutade de. Nu, Marr och hennes kollegor upprepar exponeringen med konstruerade nanopartiklar. Forskarna kommer att förbättra avsättningen av mindre partiklar genom att generera ett elektriskt fält och "förlita sig på den elektroforetiska kraften för att driva laddade partiklar till cellytan."

"Med denna design, lungceller kan exponeras för ett stort antal aerosoliserade konstruerade nanopartiklar, såsom silver- och metalloxider, som enstaka partiklar snarare än stora agglomerat, "Marr förklarade. En utmaning i tester av nanopartiklarnas toxicitet har varit att mycket små partiklar gillar att bilda aggregat, så att testa interaktioner mellan de minsta partiklarna med celler kräver speciella tillvägagångssätt.

Marr och en av hennes doktorander, Andrea Tiwari, har valt C60 fulleren som modell för kolhaltiga nanomaterial på grund av dess relativa enkelhet, bevis på toxicitet, och rik historia inom den vetenskapliga litteraturen. Upptäckten av C60 -föreningen 1985 fick Harold Kroto, James R. Heath, och Richard Smalley 1996 års Nobelpris i kemi. C60 -fullerener och variationer av dem används i hela nanoteknikindustrin.

"Luftburna kolhaltiga nanomaterial kommer sannolikt att finnas i produktionsanläggningar och i omgivande luft och kan ha toxiska effekter vid inandning, "Sa Marr och Tiwari. De teoretiserade vidare att när de utsattes för luften, nanomaterial kommer sannolikt att omvandlas kemiskt efter exponering för oxidanter i atmosfären.

I sina förstudier, resultaten indikerar att "oxidation påverkar lösligheten, eftersom absorbansen efter återuppslammning i vatten är lägre för fullerener som utsätts för ozon. "Implikationen är att reaktioner i atmosfären kan omvandla nanopartiklar och göra dem mer benägna att lösa sig i vatten när de sätter sig tillbaka till jorden. Där, de kan resa längre och komma i kontakt med fler organismer än om de hade fastnat i jorden.

För att samla luftburna nanopartiklar för analys, Marrs grupp designade en billig termoforetisk fällare som använder isvatten som kylkälla och ett 10 W motstånd som värmekälla. De flödade syntetiska aerosoler genom fällaren och använde ett transmissionselektronmikroskop för att inspektera partiklarna.

"Preliminär analys bekräftade att denna utfällare var effektiv vid insamling av nanopartiklar av ett stort antal storlekar och kommer att vara effektiv i framtida studier av luftburna nanopartiklar, "Sa Marr.

När hennes arbete på detta område fortskrider, Marr kunde använda sin forskning i karakterisering av luftburna partikelkoncentrationer under produktionen av kolhaltiga nanomaterial, såsom fullerener och kolnanorör, i en kommersiell nanoteknisk anläggning. Baserat på mätningarna av hennes studie, gjort med Behnoush Yeganeh, Christy Kull och Mathew Hull, alla doktorander, de drog slutsatsen att tekniska kontroller vid anläggningen "verkar vara effektiva för att begränsa exponeringen för nanomaterial, "och rapporterade sina fynd i American Chemical Society's publikation Miljövetenskap och teknik (Vol.42, Nr 12, 2008)

Dock, de pekar på begränsningarna i denna inledande studie som huvudsakligen fokuserade på den fysiska karakteriseringen, och som inte skiljer mellan partiklar som genereras av nanomaterials sotproduktion och de från andra källor.

Effekter av karboxylsyror på nC60 aggregatbildning

"Den ökande produktionen och tillämpningen av C60 fulleren på grund av dess särpräglade egenskaper kommer oundvikligen att leda till att den släpps ut i miljön, "Marrs kollega, Vikesland, sa. Redan, det biomedicinska, optoelektronik, sensorer och kosmetikaindustrin är bland användarna av C60 fulleren.

"Lite är för närvarande känt om växelverkan mellan C60 fulleren och beståndsdelarna i naturligt vatten, och därför är det svårt att förutsäga ödet för C60 som släpps ut i den naturliga miljön, "Vikesland tillagt." C60 fulleren är praktiskt taget olöslig i vatten. "

Dock, en av komponenterna i naturligt vatten är naturligt organiskt material (NOM). När C60 -fulleren släpps ut i vatten, det bildar "mycket stabila dispergerade kolloidala C60 -aggregat eller nC60, "Förklarade Vikesland. Dessa aggregat kan uppvisa betydande skillnader i aggregerad struktur, storlek, morfologi, och ytladdning och beter sig väldigt annorlunda än C60 ensam.

Problemet med NOM är dess slumpmässighet, vilket resulterar i olika egenskaper hos aggregaten som bildas när de blandas med C60.

Så, Vikesland tittar på karboxylsyror med liten molekylvikt, såsom ättiksyra, vinsyra, och citronsyra, alla allmänt upptäckta beståndsdelar av naturligt vatten och biologiska vätskor. Han och hans doktorand Xiaojun Chang har specifikt tittat på bildandet av nC60 i ättiksyra (ättika) lösningar, utsatt aggregaten för utökad blandning, och fann att lösningens kemi skiljer sig väsentligt från nC60 blandat i vatten enbart.

"Citratet påverkar bildandet av nC60 på två sätt, "Sa Vikesland. Det ändrar pH, en nyckelfaktor för att kontrollera ytladdningen av nC60 och den interagerar direkt med C60 -ytan.

Vikesland förklarade betydelsen av detta resultat. När nC60 produceras i närvaro av karboxylsyrorna, dess aggregat skiljer sig markant från de som produceras utan syrorna. I allmänhet, Vikesland sa, dessa aggregat har mer negativa ytladdningar och är mer homogena än de som produceras enbart i vatten.

"Dessa resultat tyder på att C60:s slutliga öde i vattenhaltiga miljöer sannolikt kommer att påverkas avsevärt av mängderna och typerna av karboxylsyror som finns i naturliga system och av lösningens pH, "Tillade Vikesland. Dessutom eftersom karboxylsyror är vanliga i biologiska vätskor, Vikesland är intresserad av hur hans fynd relaterar till de mekanismer genom vilka C60 interagerar med celler in vivo.

Dessa syror kan avsevärt påverka alla slutsatser som slutligen nårs om C60 fullerens påverkan på miljön. Hans nuvarande arbete förekommer i ett nummer av Miljöförorening v157, nummer 4 (april 2009), s. 1072-1080.