Ibland utgör banbrytande material med viktiga samhällsnytta miljörisker som inte är uppenbara förrän decennier senare. Inom det växande området av nanoteknik – skapandet av material eller processer i nanoskala – försöker forskare identifiera potentiella faror innan nya produkter används i stor utsträckning.

"Alltför ofta i det förflutna vet vi inte om något kommer att bli en risk förrän det är för sent och det redan finns där ute, " säger Geoffrey Bothun, en docent i kemiteknik vid University of Rhode Island. "Istället för att skapa produkter med nanomaterial i dem och helt enkelt släppa ut dem på marknaden, Fältet vill få bättre koll på vilken typ av miljö- eller säkerhetsrisker som är förknippade med dessa material."

Nanoteknik erbjuder potential för många nya tillämpningar inom medicin, elektronik, energi och biomaterial men, som all ny teknik, det väcker också oro över möjlig toxicitet för människor och miljön från långvarig exponering.

"Det finns mycket spänning över vad nanoteknik kan göra för att skapa jobb, ny produktutveckling och bättre material, " säger Bothun. "Det tros vara den nya industriella revolutionen. Men vetenskapsmän, ingenjörer och beslutsfattare vill gå före i spelet och vägleda designen av de bästa materialen med minsta miljöpåverkan."

Den National Science Foundation (NSF)-finansierade forskaren studerar specifikt hur konstruerade nanopartiklar binder till cellmembran, och processens inverkan på själva membranet.

"Vi vet inte tillräckligt om hur dessa fysiska interaktioner äger rum, och i vilken grad de bidrar till toxicitet, " säger han. "Nanopartiklar kan och hämmar eller dödar celler. I vissa fall, det är vad de ska göra. Till exempel, det finns många naturliga antimikrobiella molekyler som binder till ett membran, stör den och bryt hål, leder till celldöd."

Nanopartiklar finns i många produkter som kommer i nära kontakt med människor, bland dem, Kläder, medicin, kosmetika och solskyddsmedel.

"Silvernanopartiklar, till exempel, är i jaktutrustning och atletiska kläder och fungerar nästan som ett antibiotikum, " Bothun säger. "De dödar bakterier som orsakar stinkiness till stor del genom att frigöra silverjoner. Vi utsätts för detta silver hela tiden, men om det är farligt eller inte är något okänt."

Hans forskningsmål är att lära sig tillräckligt mycket om vad som händer i nanopartikel-membraninteraktioner för att experter ska kunna använda denna information för att förutsäga om partiklarna kommer att visa sig vara giftiga. "Om vi ​​förstår mekanismerna bakom hur dessa partiklar fastnar på celler, som borde hjälpa oss att designa partiklar som selektivt kan binda till, till exempel, bakterier och inte mänskliga celler, " han säger.

Bothun bedriver sin forskning under ett NSF Faculty Early Career Development (CAREER) pris, som han fick 2011. Priset stödjer juniorfakulteten som exemplifierar rollen som lärare och forskare genom enastående forskning, utmärkt utbildning, och integrationen av utbildning och forskning inom ramen för deras organisations uppdrag.

Han och hans team använder transmissionselektronmikroskopi (TEM) för att studera syntetiska bakteriecellsmembran som de skapar och sedan exponerar för olika typer av nanopartiklar. "Vi kan ändra membransammansättningen, och nanopartikeltyp och sammansättning och storlek, " säger han. "Vi har många variabler som vi kan spela med på båda sidor. Med TEM kan vi direkt avbilda nanopartikelmembranbindning och förändringar som sker i membranet som ett resultat av denna bindning."

De har redan bestämt att nanopartiklar kan bete sig som proteiner, "vilket betyder att vi kan använda en del av vår befintliga kunskap och teknologi om proteininteraktioner för att hjälpa till att förstå och förutsäga nanopartikelinteraktioner, " säger han. "T.ex. det finns fall där hydrofoba (vattenhatande) nanopartiklar kan ändra cellmembranstruktur som liknar hydrofoba proteiner."

Som en del av bidragets utbildningsdel, forskarna har förbättrat en förstaårskurs i allmän utbildning vid universitetet med målet att utbilda studenter om det sociala, ekonomiska och miljömässiga effekter av nanoteknik, samt behovet av att effektivt kommunicera framväxande teknik till en bred publik. De planerar också att sponsra professionella utvecklingsaktiviteter, inklusive forskning och specialiserade workshops, för att komplettera läroplanen.

Till sist, de håller på att utveckla ett nytt gymnasieprogram, "Tänk små/dröm stort!" för naturvetenskapsklasser i stadsskolor i det större Providence-området. Eleverna kommer att arbeta med transmissionselektronmikroskopet, analysera nanomaterial med hjälp av toppmodern instrumentering.

"Målet här är att informera och entusiasmera gymnasieelever om nanoteknik, och hela STEM (vetenskap, teknologi, teknik och matematik) områden, och för att visa dem hur nanoteknik kommer att ha en inverkan på deras liv i framtiden och vilken roll de kan spela, säger Bothun.