Forskare vid Northwestern University har hittat ett sätt att upptäcka metastaserad bröstcancer genom att ordna DNA-strängar i sfäriska former och använda dem för att täcka en liten partikel av guld, skapa en "nano-flare" som lyser upp först när den hittar bröstcancerceller. På MIT, forskare försöker öka växternas fotosyntetiska kapacitet genom att bädda in små rör av kol som kallas nanorör i kloroplaster. De hoppas så småningom kunna utveckla anläggningar med förmågan att övervaka miljöföroreningar, bekämpningsmedel, svampinfektioner, eller exponering för bakteriella toxiner. Detta är bara två exempel på pågående forskning inom nanoteknik, ett av de snabbast växande områdena inom vetenskapen, teknik och industri som används i fler och fler konsumentprodukter varje dag.

Nanoteknik omfattar produktion och manipulation av material i liten skala – mätt i miljarddels meter, eller nanometer. Det involverar ibland lager av material som bara är en enda atom tjock - cirka 0,2 nanometer. Som jämförelse, ett människohår är 80, 000 nanometer; en DNA-molekyl är 2–2,5 nm.

Nanopartiklar finns i naturen - i damm, skogsbränder, vulkaner, metaller, etc. Men nanoteknik involverar i allmänhet tekniska material (som kan inkludera naturliga nanopartiklar) med minst en dimension som mäter 100 nm eller mindre. På nanoskala, Fysikens klassiska lagar gäller inte längre, vilket resulterar i att material tar på sig olika optiska, elektriska eller magnetiska egenskaper än den skulle ha i en mer skrymmande form. Detta beror delvis på att material i nanoskala har en relativt större yta i förhållande till sin volym än samma material i bulkform.

Det är för att nanomaterial har dessa förändrade egenskaper som de är så användbara. De kan ha ökad kapacitet att leda eller motstå elektricitet, utmärkt färgrenhet, förbättrad värmelagrings- eller överföringsförmåga, extra absorptionsförmåga, eller antibiotikaegenskaper. På nanoskala, koppar, normalt ogenomskinlig, blir transparent; stabilt aluminium blir brännbart; och guld, vanligtvis solid, blir en vätska. Nano silver, en antibakteriell, används i bandage, strumpor och matförpackningar. Zinkoxidnanopartiklar finns i solskyddsmedel och kosmetika. Nano titandioxid används i medicinkapslar, kosttillskott, livsmedelstillsatser, hudkrämer, och tandkräm; och i livsmedel som kokos och yoghurt som blekningsmedel.

Nanoteknik involverar skapandet av nanostrukturer som kolbaserad grafen (ett ark av kolatomer 1 atom tjockt) eller kolnanorör (ett rör av kolatomer), som är utmärkta ledare av elektricitet; samt användning av nanopartiklar som kombineras med andra material för att optimera vissa egenskaper.

Forskare som arbetar inom nanoteknik använder vanligtvis molekyler som byggstenar. Som ett exempel, de kan göra något delvis av kisel, kombinerat med en organisk molekyl och några nano-widgets för att producera en mångfacetterad nanostruktur som inte liknar allt som finns i naturen, förklarade James Yardley, verkställande direktör för Columbia Universitys Nanoscale Science and Engineering Center. Valet av material beror ofta på forskningsområdet. Elektronikforskare, till exempel, arbetar ofta med kisel eller kol; bioteknikforskare arbetar med större organiska molekyler; och materialforskare kan använda järn, stål eller krom.

Columbias Nanoscale Science and Engineering Center, ett av de första vetenskaps- och ingenjörscentra i nanoskala som grundades av National Nanotechnology Initiative, fokuserar sin forskning på elektronik. Forskare här, pionjärer inom forskning om grafen (det starkaste materialet som människan känner per viktenhet), funderar på hur man använder den för att ersätta kisel, viktigt i halvledare och många elektroniska produkter. De använder det för att utveckla applikationer för solceller, pekskärmar och sensorer. Centret arbetar också med kolnanorör, som möjliggör utvecklingen av nya elektroniska anordningar; och bygga solcellsapparater på nanoskala för att göra dem mycket effektivare.

Varje dag, forskare kommer med nya tillämpningar för nanoteknik. Ett internationellt nanoforskningscenter har skapat ett nanofibernät som kan ta bort gifter från blodet, vilket skulle kunna eliminera behovet av dialys för patienter med njursvikt. Schweiziska forskare har nyligen lyckats framställa enhetliga nanokristaller av antimon, som kan lagra ett stort antal litium- och natriumjoner, och skulle en dag kunna användas för att tillverka batterier med hög energidensitet.

I framtiden, nanoteknik förväntas göra kommunikations- och informationsteknik snabbare och billigare, och skapa superhårda material. Inom medicin, nanomaterial kommer att användas som små sensorer för att upptäcka sjukdomar eller som chips för att övervaka kroppsprocesser, för implantat, och som läkemedelstillförselsystem som kan rikta in sig på specifika celler. Nanomaterial kommer att kunna filtrera föroreningar från miljön eller ta bort dem från avfallsvatten. Nanoteknik kommer att gynna rymdutforskningen genom att göra lättare fordon och mindre robotsystem möjliga. Nanodetektorer av kemiska och biologiska ämnen kommer att förbättra den nationella säkerheten. Vissa forskare förutspår att en dag, de kommer att kunna skapa programmerbar nanomatter vars egenskaper kan kontrolleras eller ändras.

"Nanovetenskap är ett exempel på en verklig frontlinje inom grundläggande vetenskap som verkligen har potential att revolutionera så många aspekter av vardagens tillvaro, sa Michael Purdy, vice vd för forskning vid Columbia University. "Om några decennier, vi kommer att se några stora revolutioner, och det är verkligen fysiken som har gett dessa nya genombrott." Han är särskilt upphetsad över den nya materialforskningen, som ger möjlighet att utveckla superledande material och allt effektivare solpaneler.

I dag, det finns redan fler än 1, 600 produkter på marknaden som innehåller nanomaterial:locktång, kylskåp, bilvax, projektionsdukar, bläck, iPhones, bärbara datorer, handdukar, husfärg, Kläder, solglasögon, tandborstar, nappar, Tvättmedel, plyschleksaker, tennisracketar, halsspray, matbehållare ... och många fler.

I USA., Tillverkarna ansvarar för att deras produkter uppfyller alla lag- och säkerhetskrav, inklusive produkter som involverar nanoteknik. Det finns inga specifika regler för nanoteknik, inte heller några märkningskrav för produkter som innehåller nanomaterial.

Men vet vi tillräckligt mycket om denna nya teknik för att förstå vad de potentiella oavsiktliga effekterna på människors hälsa och miljön kan vara? När nanomaterial blir mer utbrett, allmänheten och de som arbetar med dem kommer att bli alltmer utsatta för dem. Sedan 2001, den federala regeringen har investerat nästan 20 miljarder dollar i nanoteknologisk forskning genom National Nanotechnology Initiative, men bara 750 miljoner dollar på att studera nanoteknologins miljö- och hälsoeffekter och säkerhet.

Medan nanostrukturer vanligtvis är inbäddade i större enheter och förblir ganska stabila, nanopartiklar, på grund av deras storlek, kan andas in, intas och absorberas genom huden och ögonen.

De kan komma in i celler, nerver, äggstockar, lymfkörtlar och muskler och passerar blod-hjärnbarriären. De kan samlas i lungorna, lever eller hjärna. Vissa nanopartiklar kan påverka immunsystemet och cellernas förmåga att hantera patogener.

Forskare har funnit att när råttor andades in manganoxidnanomaterial som inandas dagligen av fabrikssvetsare, nanopartiklarna slog sig ner i deras hjärna och lungor, utlöser tecken på inflammation och cellulär stress. När den testades på hårlösa möss, titandioxid nanopartiklar, används vanligtvis för att blockera solstrålar utan den vita pastiness, inducerad åldrande av huden. Efter att ha blandat nanotitandioxid i dricksvattnet hos möss i två år, forskare upptäckte att mössen hade betydande DNA- och kromosomskador. Kolnanorör som infördes i magen på möss betedde sig som asbest, orsakar inflammation och skador.

Det är oundvikligt att konstruerade nanopartiklar gradvis kommer att släppas ut i miljön genom läckage från produktion och transport av produkter, användande, och avfallsmaterial. De kommer in i luften, jord och vatten. Nano silver, som är antibiotika, kunde hitta sin väg från soptippar, avloppsreningsverk och industrianläggningar till ekosystem där det kan vara giftigt för vattenlevande och landlevande varelser.

Centrum för nanoteknologins miljökonsekvenser, ett annat centrum etablerat av National Nanotechnology Initiative, studerar beteendet hos nanomaterial och deras potentiella biologiska, miljömässiga och ekologiska effekter.

Över fem år, centret exponerade växter och mikrober för nanosilver och fann att även när de gavs en låg dos, växterna och mikroberna producerade ungefär en tredjedel mindre biomassa, vilket tyder på stress.

På grund av deras relativt stora yta, konstruerade nanopartiklar är mycket reaktiva. Enligt National Nanotechnology Initiative, nanomaterial som släpps ut i miljön kan omvandlas av miljöförhållanden som temperatur och salthalt, naturen hos en livsmiljö, och förekomsten av andra föroreningar. De transformerade nanomaterialen kan i sin tur förändra atmosfären, jord, eller vattenkemi. Och dessa omvandlingar kan förändra formen på de nanomaterial som människor och ekosystem utsätts för.

Benjamin Bostick, en miljökemist och docent forskningsprofessor vid Lamont Doherty Earth Observatory, studerar hur vissa nanopartiklar omvandlas i miljön för att förstå om de är bra eller dåliga, hur de rör sig i miljön och deras toxicitet.

"Nanopartiklar är inte nödvändigtvis säkra eller farliga, " han sa, "Du måste veta vilka deras väljare är." Deras toxicitet påverkas av deras storlek, kemisk sammansättning, form, ytstruktur, ytladdning, löslighet, hur de aggregerar och förekomsten av andra kemikalier.

En mängd faktorer måste beaktas när man bedömer säkerheten och effekterna av nanopartiklar, och de måste studeras i komplexa realistiska miljöer över tid för att exakt förutsäga deras effekter. Under de kommande fem åren, Center for the Environmental Impplications of Nanotechnology kommer att titta på hur nanomaterial överförs mellan organismer, hur de bioackumuleras i näringsnät, samspelet mellan nanopartiklar och miljöföroreningar, och effekterna av lågdos och långvarig exponering för nanopartiklar på ekosystemen.

"En del av syftet med forskningen som pågår vid centret är att hjälpa samhället att definiera vilka regler som garanterar en hög grad av säkerhet... forskarna arbetar nära med EPA, och OSHA, och hela uppsättningen av byråer, sa Yardley.

Nanomaterial omfattas för närvarande av olika lagar under U.S. Environmental Protection Agency (EPA), Food and Drug Administration (FDA), och Occupational Safety and Health Administration (OSHA), men byråerna börjar titta specifikt på riskerna med nanoteknik.

Bostick varnade för att måla alla nanopartiklar med en bred pensel.

"Vi måste tänka på de nanopartiklar som är farliga och ta reda på hur man använder dem säkert eller hitta alternativ. Men vi bör inte gruppera alla nanopartiklar i en kategori så att de säkra inte kan användas. Vi måste skilja mellan dem, " han sa.

EPA utvärderar för närvarande hälso- och säkerhetseffekterna av vissa nanomaterial:kolnanorör, ceriumoxid, titandioxid, nano silver, järn och mikroniserad koppar. I april 2012 FDA utfärdade två utkast till vägledningsdokument om användningen av nanoteknologi i livsmedel och kosmetika. Företag som använder nanopartiklar i livsmedelstillsatser eller förpackningar rekommenderades att rådgöra med FDA och visa att deras produkter är säkra innan de säljs. Kosmetikaföretag som använder nanoteknik uppmanades att göra ytterligare säkerhetstester. Inga slutgiltiga riktlinjer har ännu utfärdats.

Berkeley, Kalifornien, är den första och enda staden i USA som reglerar nanoteknik. Det kräver att tillverkare och hanterare av nanopartiklar avslöjar toxikologiska, miljö- och säkerhetsinformation till stadens Toxics Management Division.

Medan Yardley har tilltro till vårt befintliga regelsystem och hur det fungerar, han erkände, "Det måste ske förändringar i våra regulatoriska definitioner av material och kategorier...dessa saker har inte bara kemisk sammansättning, men de har en storlek och form, och ytfunktionalisering, och alla dessa saker bestämmer toxiciteten i material i nanoskala. … Säkert, karaktären på våra regler kommer att behöva ändras, och de måste överväga dessa funktioner. Och vi kommer att behöva oroa oss för effekter från vagga till grav."

Under tiden, konsumenter som vill undvika produkter som innehåller nanomaterial eller nanopartiklar bör undvika textilier, kosttillskott och kosmetika märkta "nano, " "ultrafin, " "mikroniserad" eller "antimikrobiell." Undvik biofasta gödselmedel, ibland kallade "organiska" gödselmedel, eftersom de ofta innehåller nanosilver. USDA ekologiska certifierade produkter innehåller inte nanomaterial, men "ekologisk" eller "helt naturlig" kosmetika kan.