Kortvarig exponering för konstruerade nanopartiklar som används i halvledartillverkning utgör liten risk för människor eller miljön, enligt en mycket läst forskningsartikel från ett forskningsteam som leds av University of Arizona.

Medförfattare av 27 forskare från åtta amerikanska universitet, artikeln, "Fysisk, kemisk och in vitro toxikologisk karakterisering av nanopartiklar i kemisk mekanisk planariseringssuspensioner som används i halvledarindustrin:mot miljömässiga hälso- och säkerhetsbedömningar, " publicerades i tidskriften Royal Society of Chemistry Miljövetenskap Nano i maj 2015. Tidningen, vilket kräver ytterligare analys av potentiell toxicitet för längre exponeringsperioder, var en av tidskriftens 10 mest nedladdade tidningar 2015.

UA-forskaren och medförfattaren Reyes Sierra använde ett elektronmikroskop för att få den här bilden av nanopartiklar av kiseldioxid.

"Denna studie är extremt relevant både för industrin och för allmänheten, sa Reyes Sierra, huvudforskare i studien och professor i kemi- och miljöteknik vid University of Arizona.

Forskningen stöddes till stor del av Semiconductor Research Corporation SRC Engineering Research Centre on Environmentally Benign Semiconductor Manufacturing, ett UA-baserat konsortium som firar sitt 20:e år. Medförfattare till tidningen inkluderar centrets chef, UA Regents Professor Farhang Shadman, och nuvarande och tidigare UA-studenter inom miljöteknik.

Litet under

Nanopartiklar är mindre än 100 nanometer. En miljondel av storleken på ett nålhuvud, en tusendels bredd av ett människohår, de är några av de minsta kända materialen. De kan existera naturligt – i sot, till exempel – men har endast konstruerats under de senaste 30 åren.

Konstruerade nanopartiklar används för att tillverka halvledare, solpaneler, satelliter, Matförpackning, livsmedelstillsatser, batterier, basebollträn, kosmetika, solskyddsmedel och otaliga andra produkter. De lovar också mycket för biomedicinska tillämpningar, såsom administreringssystem för cancerläkemedel.

Att designa och studera material i nanoskala är ingen liten bedrift. De flesta universitetsforskare producerar dem i laboratoriet för att ungefär de som används inom industrin. Men för denna studie, Cabot Microelectronics gav uppslamningar av konstruerade nanopartiklar till forskarna.

"Minus några egna ingredienser, våra slurries var exakt samma som de som användes av företag som Intel och IBM, ", sa Sierra. Båda företagen samarbetade i studien.

Ingenjörerna analyserade det fysiska, kemiska och biologiska egenskaper hos fyra metalloxidnanomaterial – ceriumoxid, aluminiumoxid, och två former av kiseldioxid - som vanligtvis används i kemisk mekanisk planariseringsslam för tillverkning av halvledare.

Ren tillverkning

Kemisk mekanisk planarisering är den process som används för att etsa och polera kiselskivor för att bli släta och platta så att de hundratals kiselchips som är fästa på deras ytor kommer att producera korrekt fungerande kretsar. Även den mest oändliga repa på en wafer kan orsaka förödelse på kretsen.

När deras arbete är klart, konstruerade nanopartiklar släpps ut till reningsanläggningar för avloppsvatten. Konstruerade nanopartiklar är inte reglerade, och deras förekomst i miljön är dåligt förstådd.

Forskare vid UA och runt om i världen studerar de potentiella effekterna av dessa små och komplexa material på människors hälsa och miljön.

"En av de få saker vi vet säkert om konstruerade nanopartiklar är att de beter sig väldigt annorlunda än andra material, " sa Sierra. "T.ex. de har mycket större yta i förhållande till sin volym, vilket kan göra dem mer reaktiva. Vi vet inte om denna högre reaktivitet översätts till ökad toxicitet."

Forskarna exponerade de fyra nanopartiklarna, suspenderad i separata uppslamningar, till adenokarcinom humana alveolära basala epitelceller i doser upp till 2, 000 milligram per liter under 24 till 38 timmar, och till marina bakterieceller, Aliivibrio fischeri, upp till 1, 300 milligram per liter i cirka 30 minuter.

Dessa koncentrationer är mycket högre än vad man kan förvänta sig i miljön, sa Sierra.

Genom att använda en mängd olika tekniker, inklusive toxicitetsbioanalyser, elektronmikroskopi, masspektrometri och laserspridning, att mäta sådana faktorer som partikelstorlek, ytarea och partikelsammansättning, forskarna fastställde att alla fyra nanopartiklarna utgjorde låg risk för mänskliga och bakteriella celler.

"Dessa nanopartiklar visade inga negativa effekter på mänskliga celler eller bakterierna, även vid mycket höga koncentrationer, Sierra sa. "Cellerna visade samma beteende som celler som inte exponerades för nanopartiklar."

Författarna rekommenderade ytterligare studier för att karakterisera potentiella skadliga effekter vid längre exponeringar och högre koncentrationer.

"Tänk på en fisk i en bäck där avloppsvatten som innehåller nanopartiklar släpps ut, ", sa Sierra. "Exponering för nanopartiklar kan vara mycket längre."