Den ökande användningen av kolnanorör (CNT) – och ett förslag i EU om att förbjuda hela klassen av material – framhäver behovet av ett uppdaterat och standardiserat tillvägagångssätt för att bedöma mänskliga och miljömässiga effekter av CNT och produkter som innehåller dem, enligt en ny samarbetsstudie författad av forskare från Rice University.
Mer än 5 000 ton CNT produceras årligen för användning i forskningslaboratorier och kommersiella industrier. På grund av sina unika egenskaper används CNT i olika applikationer som batterier, lätta konstruktionsmaterial, funktionella textilier, bärbara enheter och alltmer inom biomedicinsk forskning.
"När vi går mot en ren och diversifierad energi- och materialrevolution behöver området för avancerade material en tydligt definierad vetenskapsbaserad väg i mätning, identifiering, klassificering och rapportering genom hela materiallivscykeln, från utveckling till bortskaffande, för att fullskala CNTs över sektorer och branscher samtidigt som det gynnar samhället och miljön", säger Rachel Meidl, fellow i energi och hållbarhet vid Rices Baker Institute for Public Policy och medförfattare till studien publicerad i tidskriften Nature Reviews Materials .
Under 2019 lade en icke-statlig organisation i Europeiska unionen (EU) till kolnanorör till en lista över kemikalier som de anser "bör begränsas eller förbjudas i EU", med hänvisning till oro från några av de många publicerade verk som studerade toxikologin och miljöbeständighet hos kolnanorör.
Författarna till den nya studien undersökte hur kolnanorör har klassificerats kemiskt, med tanke på deras många olika former och sätt att bearbeta, modifiera eller använda dem. Resultaten av toxikologi- och miljöstudier varierade mycket, beroende på dessa olika kolnanorörsformer och hur studierna genomfördes.
"Vi insåg att det fanns så många olika former av kolnanorör, att det verkade konstigt att så olika material till och med kunde klassificeras under ett namn", säger Daniel Heller, medförfattare till studien, chef för Cancer Nanomedicine Laboratory vid Memorial Sloan Kettering Cancer Center och en alumn från Rice.
"Vi fann också att de toxikologiska och miljömässiga riskerna med kolnanorör i hög grad beror på dessa skillnader, precis som hur olika former av kiseldioxid antingen kan orsaka lungsjukdomen silikos eller hjälpa till att hålla dina tänder rena som en ingrediens i tandkräm."
Författarna föreslår att volymen och prevalensen av dessa material och den nyanserade och inkonsekventa riskbilden kräver att de klassificeras och definieras mer exakt för att identifiera toxikologiska och miljömässiga risker. Utredarna bör anta mer konsekventa klassificeringsmetoder, mätstandarder och övervägande av potentiella toxikologiska och miljömässiga effekter under hela livscykeln för de material som innehåller kolnanorör, inklusive när de används för att ersätta mer giftiga eller förorenande material, sa de.
Författarna rekommenderar konstruktionen av ett omfattande ramverk för att klassificera, karakterisera och bedöma potentiella hälso-, miljö- och säkerhetseffekter av CNT, eftersom det skulle ha en positiv inverkan på både forskning och industri. Och dessa uppgifter kommer att förse beslutsfattare med de datadrivna verktygen för att selektivt reglera delmängder av CNT som anses vara högrisk, samtidigt som de säkerställer att eventuella restriktioner för syntes, produktion, tillverkning, användning, transport och bortskaffande är vetenskapligt baserade och minimalt störande för det framväxande området för kolnanomaterial.
Dessutom kommer övergången till en cirkulär koldioxidekonomi att innebära att forskare kommer att arbeta för att utforma avfall eller använda kol-till-värde-vägar som betraktar slutförbrukade CNT- och CNT-baserade produkter som en resurs.
"Kolnanorör kan ha mycket färre energi- och materialbehov samt färre miljömässiga och sociala konsekvenser än andra material, vilket gör dem idealiska för energiomställningen", säger medförfattaren Matteo Pasquali, A.J. Hartsook professor i kemisk och biomolekylär teknik och chef för Rice's Carbon Hub. "Till exempel är de det enda trovärdiga alternativet till koppar och aluminium för storskalig elektrifiering och till stål för storskalig konstruktion.
"De toxikologiska studier som utfördes i början gav kontrasterande resultat och är inte längre tillämpliga på den nya generationen av material, som görs med mycket bättre kontroll på struktur, renhet och makroskopisk form," fortsatte han. "Standardisering av CNT-klassificeringar är nödvändig för att sortera vetet från agnarna, så att beslutsfattare kommer att kunna minimera riskerna för arbetare och konsumenter samtidigt som det skapar regleringssäkerhet för industrin, forskare och allmänheten."
Författarna hävdar att att närma sig detta problem ur ett systemperspektiv ger möjligheter att utöka tillämpningen av kolmaterial i industriella, kommersiella och medicinska sektorer; att stödja en dynamisk och kvalificerad arbetskraft; att säkerställa ansvarsfull utveckling, användning och hantering av uttjänta produkter från labb till marknad; och att hjälpa världen att nå globala klimatmål och hållbarhetsmål.
Mer information: Mijin Kim et al, Människo- och miljösäkerhet för kolnanorör över deras livscykel, Nature Reviews Materials (2023). DOI:10.1038/s41578-023-00611-8
Tillhandahålls av Rice University
