Sättet som nanopartiklar beter sig i miljön är extremt komplext. Det finns för närvarande en brist på systematiska experimentella data för att hjälpa till att förstå dem på ett heltäckande sätt, som ETHs miljöforskare har visat i en stor översiktsstudie. Ett mer standardiserat tillvägagångssätt skulle bidra till att främja forskningsområdet.

Nanoteknikindustrin blomstrar. Varje år, flera tusen ton konstgjorda nanopartiklar produceras över hela världen; förr eller senare, en viss del av dem kommer att hamna i vattendrag eller jord. Men även experter har svårt att säga exakt vad som händer med dem där. Det är en komplex fråga, inte bara för att det finns många olika typer av konstgjorda (konstruerade) nanopartiklar, men också för att partiklarna beter sig olika i miljön beroende på rådande förhållanden.

Forskare ledda av Martin Scheringer, Senior forskare vid institutionen för kemi och tillämpad biovetenskap, ville bringa lite klarhet i denna fråga. De granskade 270 vetenskapliga studier, och den nästan 1, 000 laboratorieexperiment som beskrivs i dem, letar efter mönster i beteendet hos konstruerade nanopartiklar. Målet var att göra universella förutsägelser om partiklarnas beteende.

Partiklar fäster sig vid allt

Dock, forskarna fann en mycket blandad bild när de tittade på data. "Situationen är mer komplex än vad många forskare tidigare skulle ha förutspått, " säger Scheringer. "Vi måste inse att vi inte kan rita en enhetlig bild med de data som finns tillgängliga för oss idag."

Nicole Sani-Kast, en doktorand i Scheringers grupp och första författare till analysen publicerad i tidskriften PNAS , tillägger:"Konstruerade nanopartiklar beter sig mycket dynamiskt och är mycket reaktiva. De fäster sig vid allt de hittar:till andra nanopartiklar för att bilda agglomerat, eller till andra molekyler som finns i miljön."

Nätverksanalys

Exakt vad partiklarna reagerar på, och hur snabbt, beror på olika faktorer såsom surheten i vattnet eller jorden, koncentrationen av befintliga mineraler och salter, och över allt, sammansättningen av de organiska ämnen som är lösta i vattnet eller som finns i jorden. Det faktum att de konstruerade nanopartiklarna ofta har en ytbeläggning gör saken ännu mer komplicerad. Beroende på miljöförhållandena, partiklarna behåller eller förlorar sin beläggning, vilket i sin tur påverkar deras reaktionsbeteende.

För att utvärdera de resultat som finns tillgängliga i litteraturen, Sani-Kast använde för första gången en nätverksanalys inom detta forskningsfält. Det är en teknik som är bekant inom social forskning för att mäta nätverk av sociala relationer, och tillät henne att visa att tillgängliga data om konstruerade nanopartiklar är inkonsekventa, otillräckligt varierande och dåligt strukturerade.

Mer metod för maskininlärning

"Om mer strukturerad, konsekventa och tillräckligt varierande data fanns tillgängliga, det kan vara möjligt att upptäcka universella mönster med hjälp av maskininlärningsmetoder, säger Scheringer, "men vi är inte där än." Tillräckligt med strukturerad experimentell data måste först finnas tillgänglig.

"För att det vetenskapliga samfundet ska kunna utföra sådana experiment på ett systematiskt och standardiserat sätt, någon form av samordning är nödvändig, " tillägger Sani-Kast, men hon är medveten om att ett sådant arbete är svårt att samordna. Forskare är allmänt välkända för att de föredrar att utforska nya metoder och förhållanden snarare än att rutinmässigt utföra standardiserade experiment.

Att särskilja konstgjorda och naturliga nanopartiklar

Förutom bristen på systematisk forskning, Det finns också ett andra påtagligt problem med att forska om beteendet hos konstruerade nanopartiklar:många konstruerade nanopartiklar består av kemiska föreningar som förekommer naturligt i jorden. Hittills har det varit svårt att mäta de tekniska partiklarna i miljön eftersom det är svårt att skilja dem från naturligt förekommande partiklar med samma kemiska sammansättning.

Dock, forskare vid ETH Zürichs institution för kemi och tillämpad biovetenskap, under ledning av ETH professor Detlef Günther, har nyligen etablerat en effektiv metod som möjliggör en sådan distinktion i rutinutredningar. De använde en toppmodern och mycket känslig masspektrometriteknik (kallad spICP-TOF-masspektrometri) för att bestämma vilka kemiska element som utgör individuella nanopartiklar i ett prov.

I samarbete med forskare från universitetet i Wien, ETH-forskarna tillämpade metoden på jordprover med naturliga ceriumhaltiga partiklar, där de blandade konstruerade nanopartiklar av ceriumdioxid. Med hjälp av maskininlärningsmetoder, som var idealiskt lämpade för just denna fråga, forskarna kunde identifiera skillnader i de kemiska fingeravtrycken för de två partikelklasserna. "Medan konstgjorda nanopartiklar ofta består av en enda förening, naturliga nanopartiklar innehåller vanligtvis fortfarande ett antal ytterligare kemiska grundämnen, " förklarar Alexander Gundlach-Graham, en postdoc i Günthers grupp.

Den nya mätmetoden är mycket känslig:forskarna kunde mäta manipulerade partiklar i prover med upp till hundra gånger fler naturliga partiklar.