375
DOMINIKA KATARZYNA SZPONDER
*
Nanomateriały w środowisku – korzyści i zagrożenia
Słowa kluczowe
Nanotechnologia – Nanomateriały – Inżynieria Środowiska.
Streszczenie
Nanotechnologia – dziedzina nauki powstała w latach dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku, zajmuje się
kontrolowanym wytwarzaniem nanocząstek (cząsteczki materialne składające się z elementów, których
wielkość zawiera się w granicach od kilku do kilkuset nm) i nanomateriałów oraz metodami służącymi do ich
badania i modelowania.
Ze względu na swoje niewielkie wymiary, nanomateriały mają unikatowe właściwości, które można
wykorzystać w wielu dziedzinach życia. Znalazły one także zastosowanie w inżynierii środowiska. Są wyko-
rzystywane do udoskonalania systemów monitorowania i zapobiegania zanieczyszczeniom, zarówno powie-
trza jak i wody, pozwalają na jednoczesny pomiar wielu parametrów w czasie rzeczywistym. Stosowane są
także do usuwania substancji zanieczyszczających, które przedostały się do środowiska, czy też redukcji
ilości odpadów powstających w wielu gałęziach przemysłu i życia.
W ostatnich latach pojawiły się jednakże pytania dotyczące nieznanych skutków oddziaływania nano-
materiałów na środowisko i zdrowie człowieka, a przede wszystkim ich toksyczności dla organizmów żywych.
Wśród zagrożeń, jakie stwarzają one dla środowiska przyrodniczego wyróżnić można zwiększoną reaktywność
chemiczną tych substancji, łatwość z jaką ulegają dyspersji i przenikają do błon komórkowych, duży zasięg
oddziaływania, czy też możliwość przenoszenia szkodliwych substancji. Kolejny problem wiąże się z recyklin-
giem nanomateriałów, gdyż istnieją duże problemy z odzyskiem materiału po zakończeniu jego użytkowania.
W publikacji podjęto próbę oceny wpływu nanomateriałów na środowisko przyrodnicze. Przedstawiono
i omówiono przykłady korzyści płynących ze stosowania tych materiałów, a także zagrożenia związane z ich
wprowadzaniem do środowiska. Zaproponowano również rozwiązania mające na celu dalszy rozwój
i wykorzystanie nanotechnologii w inżynierii środowiska bez szkody dla otaczającej nas przyrody i organi-
zmów żywych.
1. Wprowadzenie
Nanotechnologia, czyli technologia obiektów o rozmiarach od kilku do kilkudziesięciu nano-
metrów, jest pojęciem nowym. Pierwszy raz termin ten został użyty przez Norio Taniguchi
*
Katedra Przeróbki i Ochrony Środowiska, WGiG, Akademia Górniczo- Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie,
e-mail: dominika.szponder@gmail.com.
Szponder D. K.: Nanomateriały w środowisku – korzyści i zagrożenia
376
w 1974, w celu objaśnienia możliwości inżynierii materiałów na poziomie nanometrów. Jednak,
jako początek nanotechnologii uznaje się rok 1959, kiedy to Richard Feyman wygłosił podczas
zjazdu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego wykład pt. „There is a plenty of room at the
bottom” i zadał wizjonerskie pytanie: „Czemu by nie zapisać wszystkich 24. tomów Encyklopedia
Britannica na główce od szpilki?”. Twierdził on mianowicie, iż nie istnieją przeszkody natury
fizycznej uniemożliwiające operowaniem pojedynczymi atomami, a jedynym ograniczeniem jest
brak odpowiednich urządzeń i technik. Wydarzeniami, które wpłynęły znacząco na rozwój nano-
technologii było przede wszystkim wynalezienie skaningowego mikroskopu tunelowego (Heinrich
Rohrer i Gerd Binning, 1981), pozwalającego na badanie struktury i operacje na materiałach z do-
kładnością do pojedynczych atomów, a także odkrycie pierwszych nanomateriałów – fulerenów
(Harold Kroto, 1996) i nanorurek węglowych (Sumio Iijima, 1991) [1, 20, 23].
Mimo iż nanotechnologia, jako dziedzina naukowa wyodrębniła się stosunkowo niedawno
budzi ona duże zainteresowanie wśród naukowców i inżynierów związanych z m.in. biologią,
medycyną, czy informatyką. Dziedzina ta jest intensywnie badana i rozwijana gdyż obiekty
w skali nano mogą być stosowane w wielu obszarach działalności i życia człowieka. Pojawiają się
jednakże dyskusje dotyczące bezpieczeństwa i ryzyka stosowania nanotechnologii. Coraz częściej
dokonuje się oceny wpływu nanotechnologii na środowisko przyrodnicze i organizmy żywe [2, 3,
4, 5, 6, 7, 9, 12, 13, 16, 17, 21, 22, 23].
W publikacji przedstawiono i omówiono przykłady korzyści dla środowiska przyrodniczego
płynących ze stosowania nanotechnologii i nanomateriałów, a także zagrożenia związane z ich
wprowadzaniem do środowiska. Zaproponowano również rozwiązania mające na celu dalszy
rozwój i wykorzystanie nanotechnologii w inżynierii środowiska bez szkody dla otaczającej nas
przyrody i organizmów żywych.
2. Charakterystyka nanomateriałów
2.1. Pojęcia nanonauki i nanotechnologii
Przyrostek nano (gr. nano – karzeł) w układzie SI oznacza mnożnik 10
–9
(część bilionowa).
Nanonauka jest dziedziną nauki zajmującą się zagadnieniami skali nanometrycznej, (ang.
nanoscience), a mianowicie opisem i badaniem zjawisk i działań oraz manipulowaniem materia-
łami, w skali atomowej, cząsteczkowej i makrocząsteczkowej. W kręgu zainteresowania nano-
nauki leżą te zjawiska i działania, które są równoznaczne z wykazywaniem przez badane obiekty
właściwości różnych od tych, które są obserwowane w tych samych obiektach, ale w większej
skali [1, 20, 23].
Nanotechnologia natomiast jest dziedziną technologii zajmująca się projektowaniem, charakte-
ryzowaniem, wytwarzaniem i stosowaniem struktur, przyrządów i układów, których własności
można kontrolować kształtem i rozmiarem w skali nanometrycznej, czyli w zakresie 0, 1 - 100 nm.
Ważnym pojęciem w nanotechnologii jest skalowanie, czyli umiejętność scalania wielu nano-
obiektów w układ, w którym każdy z nich może być kontrolowany i manipulowany niezależnie,
tak jak to ma miejsce we współczesnych mikroprocesorach i pamięciach. W obrębie zainteresowań
nanotechnologii znajduje się również technologia bardzo drobnych proszków, z wykluczeniem
jednak materiałów gruboziarnistych lub o niekontrolowanej wielkości ziarna. Jak wynika z przed-
stawionych definicji i skal długości nanonauka ma charakter międzydziedzinowy tzn. łączy fizykę
atomową, cząsteczkową, makrocząsteczkowo z fizyką ciała stałego oraz z chemią i biologią
molekularną. Istnieje też wiele podobieństw między metodami teoretycznymi opisu jąder atomo-
wych i nanoobiektów, w związku z czym wielu fizyków jądrowych odgrywa ważną rolę przy
V Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2010
377
analizie własności gron (klasterów) atomowych i cząsteczkowych. Nanotechnologia jest technolo-
gią nowych możliwości, tworzy podstawy dla rozwoju innych technologii [1, 3, 20].
2.2. Czym są nanocząstki i nanomateriały?
Nanocząstki to obiekty o wymiarach od 0, 1 nm do około 100 nm. Granicę te należy traktować
umownie, gdyż istnieją nanocząstki o wymiarach do około 250 nm. Należy zauważyć jednak, że
nie każdy obiekt o wymiarach przedstawionych powyżej można traktować jako nanocząstkę.
Obiekt ten, w postaci nanometrycznej musi wykazywać właściwości, które nie występują
w większej skali. Ponadto, musi być możliwe wytworzenie i zastosowanie tego obiektu w skali
nano. Nanocząstki mają różnorodne kształty, np.:
− kule – zbudowane z pojedynczych atomów ułożonych w warstwę zwinięta w kulę np. fulereny
węglowe,
− rurki – warstwy pojedynczych atomów tworzące jedno i kilkuwarstwowe rurki, np. nanorurki
węglowe, nanorurki niewęglowe (np. azotku boru, tlenków metali przejściowych, jak TiO
2
czy
ZnO), nanorurki organiczne (np. białkowe),
− inne formy, np. płatki czy formy „kwiatopodobne” [20].
Nanomateriał jest szerszym pojęciem niż nanocząstka i odnosi się do materiałów zbudowanych
z elementów nanometrycznych. Istnieje kilka sposobów podziału tych materiałów. Najogólniej, ze
względu na budowę, dzielą się one na:
− materiały zero wymiarowe (punktowe) – cząstki nanometryczne umieszczone są w osnowie
materiału, np. kropki kwantowe i materiały nanoheterogeniczne,
− materiały jedno- i dwuwymiarowe – warstwy o grubości nanometrycznej, zbudowane z jednej
lub kilku substancji nanometrycznych, np. cienka błona ditlenku tytanu
− materiały trójwymiarowe (nanokrystaliczne) – materiały homo- i heterogeniczne, zbudowane
z kryształów o rozmiarach nanometrycznych [20].
2.3. Właściwości nanomateriałów
Nanomateriały i nanocząstki zachowują właściwości fizykochemiczne charakterystyczne dla
tych samych materiałów w skali makro, jednak dodatkowo wykazują zespół oryginalnych cech,
występujących tylko w skali nano. Podstawowymi przyczynami unikatowych własności nano-
obiektów są ich wymiary, a także związane z tym, ujawnianie się zjawisk kwantowych. Niewielkie
rozmiary umożliwiają im przenikanie przez większość barier. Sprawiają również, że podlegają one
nie tylko prawom fizyki klasycznej, ale właściwe są dla nich także zachowania opisywane przez
fizykę kwantową. Nanocząstki i nanomateriały wykazują cechy, zwłaszcza te elektryczne i optycz-
ne, znacznie różniące się od cech materiałów o rozmiarach makrometrycznych. Dualizm
charakteru nanocząstek stanowi jedną z ich największych zalet. Dodatkowo wraz ze zmniejsza-
niem rozmiarów rośnie względna liczba atomów znajdujących się na powierzchni, która przy
ś
rednicy 20 nm sięga 10%, co powoduje zwiększoną aktywność chemiczną nanomateriałów
[1, 20, 22, 23]. W porównaniu do materiałów w skali makro, nanomateriały cechuje między
innymi:
− bardziej rozwinięta powierzchnia właściwa,
− większa twardość,
− większa wytrzymałość i występujący jednocześnie wzrost plastyczności,
− większa odporność na pełzanie,
− właściwości ślizgowe,
− większa biokompatybilność biomateriałów nanometrycznych,
Szponder D. K.: Nanomateriały w środowisku – korzyści i zagrożenia
378
− wzmocnione zdolności adsorpcyjne i absorpcyjne,
− unikalne właściwości magnetyczne,
− większa odporność chemiczna,
− większa hydrofilowość [20].
Te i inne unikalne właściwości sprawiają, iż za pomocą nanotechnologii uzyskuje się produkty
użytkowe o właściwościach, których nie można uzyskać przy zastosowaniu tradycyjnych materia-
łów.
2.4. Wytwarzanie nanomateriałów
W nanotechnologii wyróżnia się dwie techniki wytwarzania nanoobiektów, tzw. top-down
i bottom-up. Różnią się one między sobą kierunkiem działań. Obecnie pracuje się również nad
połączeniem obu podejść. Połączone metody stanowić będą przyszłość technik nanotechnologii
[20, 23].
Techniki wytwarzania top-down – polegają na rozdrabnianiu materiału do bardzo drobnej
postaci:
− procesy mechaniczne – najstarsze, stosowane w ograniczonym zakresie metody oparte na
mechanicznym rozdrabnianiu materiałów (mielenie, cięcie), któremu towarzyszą zmiany
w strukturze krystalicznej rozdrabnianych substancji:
− zalety, np. proste oprzyrządowanie i niski koszt,
− wady, np. brak precyzji w wielkości i rozkładzie wielkości otrzymywanych cząstek, pro-
cesy aglomeracji rozdrobnionych cząstek,
− litografia – technika stosowana przede wszystkim w elektronice, prowadzona w dwóch
etapach:
− stworzenie w danym materiale wzoru, poprzez działanie promieniami światła o danej dłu-
gości lub wiązką jonów czy elektronów, co skutkuje powstaniem zmian w materiale,
− trawienie w kwasie i/lub osadzanie mające na celu:
− usunięcie zmienionego materiału – część pozostała to pożądany nanoobiekt bądź sza-
blon, z którego po osadzeniu dodatkowej substancji utworzony zostanie produkt;
− nadbudowanie się innego materiału na zmienionym w pierwszym etapie, stanowiącym
swego rodzaju wzór;
− techniki ultraprecyzyjne – skrawanie, trawienie, szlifowanie obiektów z precyzją nanome-
tryczną [20].
Techniki wytwarzania bottom-up – większe struktury otrzymywane są z pojedynczych atomów
czy cząsteczek:
− chemiczna synteza materiałów:
− metody chemicznej syntezy w fazie ciekłej:
− metody zol-żel – tworzenie, zazwyczaj na drodze hydrolizy, zolu soli danego związku
i poddawanie go ogrzewaniu, w celu otrzymania czystego związku i oddzielenia części
zbędnych; otrzymuje się bardzo cienkie warstw związków bezpośrednio na danych
powierzchniach, bez konieczności prowadzenia skomplikowanego procesu osadzania;
− metody strąceniowe,
− metody chemicznej syntezy w fazie gazowej:
− techniki chemicznego osadzania (chemical vapour deposition CVD) – prekursor jest
w fazie gazowej i synteza cząstek nanometrycznych zachodzi bezpośrednio z fazy
gazowej,
V Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2010
379
− techniki pirolizy aerozolowej (spray pyrolysis deposition SPD) – technika podobna do
chemicznego osadzania, z tym że aerozol formowany jest z roztworu prekursora
i nanoszony na powierzchnię, gdzie zachodzi reakcja syntezy;
− synteza nanomateriałów na zasadzie niewymuszonej samoorganizacji – polega na samorzut-
nym tworzeniu się uporządkowanych i jednorodnych struktur nanometrycznych z atomów
bądź cząstek, np. fulereny węglowe i nanorurki;
− synteza nanomateriałów na zasadzie wymuszonej samoorganizacji – tworzenie struktur z po-
szczególnych atomów i cząstek (molekularnych urządzeń i maszyn) dzięki technikom precy-
zyjnej kontroli substancji na poziomie pojedynczych atomów i cząstek (mikroskopy skali
nano) [20].
Oprócz wyżej opisanych podejść do projektowania i wytwarzania nanomateriałów wyróżnia
się dodatkowo podejścia: hard-tech i soft-tech, a także podejście trial-and-error. Ze względu na
ograniczenia objętości tej pracy nie zostaną one szczegółowo omówione, jednak szczegółowe
informacje można znaleźć w publikacji V. Uskokovic V. „Nanotechnologies: What we do not
know” [23].
2.5. Zastosowania nanomateriałów
Pomimo, iż stosunkowo niedawno rozpoczęto badania nad nanotechnologią, już dzisiaj
wytwarza się materiały i układy o rozmiarach nanometrów. Istnieje bardzo wiele potencjalnych
zastosowań dla nanotechnologii i nanomateriałów, jednakże obecnie te technologie są najszerzej
stosowane w przemyśle chemicznym (53% udziału w rynku). Natomiast wśród najpowszechniej
wykorzystywanych nanoproduktów wyróżnić można półprzewodniki (34%), które są stosowane
w przemyśle chemicznych (katalizatory chemiczne, środki do oczyszczania wody, ścieków
i powietrza itp.), w elektronice i innych branżach. Do pozostałych gałęzi przemysłu wykorzystują-
cych nanomateriały zaliczyć można m.in.: elektronikę (7%), lotnictwo i obronność (3%), przemysł
samochodowy (1%), przemysł spożywczy (poniżej 1%). Wraz rozwojem nanotechnologii wiązano
nadzieje na zastosowanie jej produktów w medycynie. Jednak obecnie udział nanoproduktów w tej
branży jest niewielki (2%) i wydaje się że nie wzrośnie on w najbliższym czasie. Prognozuje się
natomiast, że w najbliższych latach największe znaczenie będą miały nanomateriały przemysłowe,
stosowane do otrzymywania wytrzymałych materiałów, powłok, skutecznych katalizatorów
i czułych sensorów, a także nanomateriały wykorzystywane w inżynierii środowiska, a w szcze-
gólności w oczyszczaniu wody i powietrza [3, 14, 16, 19, 20].
3. Dyskusja
Nowe technologie, w tym nanotechnologia, tworzone są w celu rozwiązania pojawiających się
problemów, ale zwykle wnoszą one pewne zagrożenie związane z nieprzewidywalnymi skutkami
ich oddziaływania na wrażliwe i zmienne środowisko przyrodnicze.
Nanotechnologie i nanomateriały mogą wpływać w dwojaki sposób na środowisko, a także życie
i zdrowie człowieka. Po pierwsze, niosą one potencjalne korzyści, takie jak:
− możliwości wytwarzania urządzeń, które są w stanie wyodrębniać i reorganizować atomy
i cząsteczki zawarte w biosferze, w celu przywrócenia równowagi w środowisku,
− możliwość wytwarzania nanomateriałów w technice botton-up, w której nie powstają niebez-
pieczne i odpadowe produkty uboczne, w przeciwieństwie do większości stosowanych dzisiaj
procesów produkcji,
Szponder D. K.: Nanomateriały w środowisku – korzyści i zagrożenia
380
− zdolność do tworzenia bardziej funkcjonalnych i wydajnych materiałów i urządzeń, o wysokiej
wytrzymałości; dzięki tym produktom będzie możliwe wyeliminowanie tradycyjnych, przemy-
słowych źródeł energii, opartych na spalaniu paliw kopalnych, a także wprowadzanie odna-
wialnych, bardziej wydajnych źródeł energii, co doprowadzi do zmniejszenia oddziaływania
człowieka na środowisko.
Istnieje również wiele niekorzystnych skutków oddziaływania nanotechnologii na środowisko,
np.:
− istnieje możliwość, iż samo replikujące się nanoboty, w skrajnej sytuacji, mogą poprzez
agresywny atak bądź też poprzez powolne zwiększanie przewagi nad człowiekiem zniszczyć
całą biosferę,
− bardziej realistyczny scenariusz zakłada, iż niezrównoważone stosowanie nanoproduktów
może doprowadzić do destabilizacji i tak już zagrożonej bioróżnorodności biosfery,
− wprowadzanie nanomateriałów może także doprowadzić do rozszerzenia się podziału społe-
czeństwa na biednych i bogatych [23].
3.1. Korzyści dla środowiska płynące z nanomateriałów
Inaczej niż w dotychczasowej historii techniki, nanotechnologia może łączyć ze sobą wzrost
gospodarczy z mniejszym zużyciem surowców. Wielu naukowców i inżynierów zajmujących się
produkcją nanomateriałów twierdzi, iż dzięki zastosowaniu nanotechnologii, w wielu dziedzinach
przemysłu i życia człowieka, zmniejszy się wykorzystanie surowców nieodnawialnych i energii,
a także ilość wytwarzanych zanieczyszczeń i odpadów. Nanotechnologia stwarza wiele nowych
rozwiązań technologicznych, umożliwiających w krajach uprzemysłowionych zredukowanie
oddziaływania na środowisko istniejących technologii. Dodatkowo kraje rozwijające się mogą
wykorzystać nanotechnologię do rozwiązywania najbardziej palących problemów. Nanonauka
i nanotechnologia mogą być krytycznym czynnikiem decydującym o zrównoważonym rozwoju,
jeśli będą mądrze używane i gdy brany będzie pod uwagę społeczny kontekst ich stosowania.
Nanotechnologia ma swój udział w tworzeniu technologii pozwalających na wykorzystanie
ź
ródeł odnawialnych do produkcji energii na szeroką skalę. Dzięki nanotechnologii, wykorzysta-
nie energii słonecznej staje się na całym świecie opłacalne. Nanotechnologia dąży do podniesienia
skuteczności ogniw słonecznych poprzez m.in. zastosowanie półprzewodników zawierających
iryd, gal i azot w ogniwach (50% skuteczność), ale także zmierza do znacznego obniżenia kosztów
kolektorów słonecznych poprzez zastosowanie cienkich warstw lub nanocząstek. Folie do ogniw
słonecznych, wytwarzane metodami powlekania analogicznymi do tych, które wykorzystuje się
w produkcji diod LED i OLED, pozwalają na uzyskanie 100W energii elektrycznej z zaledwie
30 g materiału (Solarion). Najnowsze ogniwa słoneczne, o wydajności 5%, składają się z foto-
aktywnej warstwy o grubości 100 nm drukowanej na folii plastikowej (Simens). Są one niezwykle
tanie, a ich trwałość wynosi kilka tysięcy godzin nasłonecznienia [4, 9, 18]. Innym ważnym
ź
ródłem energii jest wodór. Jednak ciągle ograniczenia technologiczne nie pozwalają na produkcję
ekonomicznie opłacalnej energii z wodoru. Wśród tych ograniczeń wyróżnić można sposoby pro-
dukcji i przechowywania wodoru, a także jego konwersji na energię elektryczną. Realną
technologią produkcji wodoru z odnawialnych źródeł energii jest bezpośrednia kataliza wody na
tlen i wodór, wykonywana przy użyciu nanostrukturalnych katalizatorów półprzewodnikowych
lub innych materiałów w nanoskali. Nanomateriały mają także zastosowanie w technologiach
pozwalających na pozyskiwanie unieszkodliwionego biogenicznego wodoru. W budowie infra-
struktury energetyki wodorowej, a w szczególności w transporcie wodoru zastosowanie znajdują
nanomateriały oparte na węglu, takie jak nanorurki węglowe, a także nanorurki metali [4, 9, 18].
Nanotechnologia stosowana jest także w technologiach umożliwiających zamianę ciepła
V Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2010
381
odpadowego na prąd elektryczny m.in. termoelektryczność i termofotowoltaika (TPV). Termo-
elektryczne wytwarzanie prądu polega na przetworzeniu strumienia ciepła na energie elektryczną
za pośrednictwem półprzewodników. Nanostruktury znacznie zwiększają wydajność tej techniki
i umożliwiają jej wprowadzanie na coraz szerszą skalę. W termofotowoltaice zaś wykorzystywane
jest promieniowanie cieplne rozgrzanych przedmiotów (promieniowanie podczerwone). Nanoma-
teriały wykorzystuje się tutaj do produkcji emiterów czułości widmowej ogniw termofotowoltaicz-
nych. Innymi zastosowaniami nanomateriałów w energetyce są katalityczne ogniwa paliwowe,
nowe materiały wykorzystywane do budowy znacznie bardziej wydajnej infrastruktury przesyło-
wej, a także urządzenia pozwalające na zmniejszenie zużycia energii elektrycznej [9, 18].
Zastosowanie nanomateriałów, w szczególności w przedmiotach użytku codziennego może dopro-
wadzić do zmniejszenia zużycia energii elektrycznej w gospodarstwach domowych, biurach,
urzędach itp. W Europie około 10% wytwarzanego prądu zużywa się na oświetlenie. Zastąpienie
tradycyjnych żarówek diodami świecącymi, LED, prowadzi do znacznych oszczędności, gdyż
zużywają one około 50% mniej energii elektrycznej emitując porównywalne białe światło.
Miliony telewizorów i ekranów komputerowych z lampami katodowymi jest zastępowane przez
urządzenia wykorzystujące technikę LCD i OLED. Obie te techniki mogą ograniczyć zużycie
energii o 90% [9].
Kolejnym globalnym problemem, zwłaszcza w krajach rozwijających się, jest zanieczyszcze-
nie wód. Ograniczone zapasy oraz niska jakość wód wpływają niekorzystnie na rozwój gospodarki
narodowej, zdrowie i warunki życia ludzi, ale także środowisko przyrodnicze. Przyczyny tych
problemów leżą często w braku dobrej woli polityków, złym zarządzaniu, ograniczeniach
instytucjonalnych i problemach gospodarczych. Jednak największy wpływ na tę sytuacje ma brak
odpowiednich technologii uzdatniania i oczyszczania wody. Nanotechnologia dostarcza odpo-
wiednie materiały i urządzenia. Są to m.in. nanomembrany, zeolity i polimery o porach
nanoskopowych służące do odsalania i oczyszczania wody. Dzięki rozwojowi tej dziedziny nauki
rozwinęła się także nanometrologia, pozwalająca na dokładne określanie jakości wód. W nanoskali
powstały urządzenia pomiarowe do wykrywania zanieczyszczeń i patogenów w wodzie, filtry
i nanomembrany ceramiczne, a także magnetyczne i katalityczne nanocząstki do oczyszczania
ś
cieków i remediacji wód [4, 9, 10, 17].
Nanotechnologia znajduje także zastosowanie w ochronie powietrza. Nanomateriały są na szeroka
skalę stosowane w monitoringu zanieczyszczenia powietrza [17, 22], ale także wykorzystuje się je
w zapobieganiu emisji i usuwaniu substancji zanieczyszczających ze środowiska. Przykładem tego
typu zastosowań nanotechnologii jest projekt NANOS4 (ang. Nano-structured solid-state gas
sensors with superior performance, pl. Nanostrukturalne czujniki gazu o wysokiej czułości ze
stałym elektrolitem). Celem tego projektu było stworzenie systemu wykrywania gazów, opartego
o mikro- i nanotechnologię. Czujniki są konstruowane z tlenków metali w nanoinżynieryjnej
technice polegającej na wzroście kryształów w procesie transportu w fazie gazowej [12]. Innym
przykładem mogą być specjalne nanofarby o samooczyszczających właściwościach, które dodat-
kowo mogą usuwać z atmosfery cząstki substancji zanieczyszczających (w tym przypadku tlenki
azotu). Te ekologiczne farby na bazie polisiloksanu zawierają sferyczne nanocząstki dwutlenku
tytanu i węglanu wapnia o szerokości ok. 30 nm. Tlenki azotu wnikają w porowatą warstwę
polisiloksanowej bazy i następnie do cząsteczek dwutlenku tytanu. Na skutek działania promienio-
wania ultrafioletowego, pochodzącego ze słońca cząstki te otrzymują energię niezbędną na
zaabsorbowanie tlenku azotu i w dalszej kolejności jego zamianę na kwas azotowy. W kolejnym
etapie kwas jest neutralizowany przez zasadowe cząstki węglanu wapnia i spłukiwany przez
deszcz [12].
W nanotechnologii istnieją także rozwiązania pozwalające na ograniczenie użycia
chemicznych środków czyszczących, pestycydów, biocydów, itp. Dobrym przykładem tego typu
rozwiązań są pokrycia fotokatalityczne stosowane do usuwania zanieczyszczeń z zabrudzonych
Szponder D. K.: Nanomateriały w środowisku – korzyści i zagrożenia
382
elewacji budynków (projekt PICADA – ang. Photocatalytic Innovative Coverings Applications for
De-pollution Assessment, pl. Ocena zastosowań innowacyjnych pokryć fotokatalitycznych
w usuwaniu zanieczyszczeń). Na skutek ciągle rosnącego zanieczyszczenie atmosfery elewacje
budynków pokrywają się brudem obniżając tym samym jakość środowiska miejskiego i zwiększa-
jąc koszty utrzymania budynków. Nanomateriały wykorzystujące fotokatalizę z udziałem dwu-
tlenku tytanu zastosowane w pokryciach elewacji ułatwiają usuwanie zabrudzeń i neutralizują
zanieczyszczenia atmosferyczne. Podobnie przedstawia się sytuacja z obrastaniem powierzchni
materiałów przez organizmy żywe. Do tej pory w walce z obrastaniem stosowano specjalne,
toksyczne dla organizmów żywych farby. Jednak według nowych przepisów takie farby nie mogą
wywoływać niepożądanych skutków w środowisku. W związku z tym poszukiwano nowych,
przyjaznych dla środowiska sposobów walki z obrastaniem, a w szczególności z organizmami
wodnymi porastającymi kadłuby statków. W projekcie AMBIO (Zaawansowane nanostrukturalne
powłoki do kontroli obrastania powierzchni materiałów przez organizmy żywe) opracowano
nanopowłoki, które dzięki swoistym właściwościom fizykochemicznym, występującym jedynie w
skali nano zapobiegają bio-obrastaniu. Takie powłoki pozwalają na zrezygnowanie z różnego
rodzaju pestycydów i biocydów tak szkodliwych dla środowiska.
Z wykorzystania nanotechnologii i nanomateriałów czerpie się bardzo wiele korzyści związa-
nych z monitoringiem, oczyszczaniem środowiska, czy też zwiększeniem efektywności różnorod-
nych procesów, a tym samym ograniczeniem zużycia surowców i energii. Jednak jedną z najważ-
niejszych zalet tej gałęzi nauki i techniki jest to, iż do produkcji nanomateriałów i nanourządzeń
zużywa się niewielkie ilości surowców, a większość procesów produkcji, szczególnie prowadzo-
nych w technice botton-up, jest bezodpadowa. W procesach tych, w przeciwieństwie do
większości przemysłowych procesów produkcji, nie powstają niebezpieczne i odpadowe produkty
uboczne [2, 22, 23]. Do wytwarzania nanomateriałów mogą być także stosowane produkty odpa-
dowe pochodzące z innych technologii, np. popioły lotne [10, 15, 19, 24].
3.2. Zagrożenia dla środowiska i człowieka płynące z nanomateriałów
W miarę wzrostu liczby produktów wykonanych z nanomateriałów, a także stosowania
nanotechnologii zarówno w przemyśle jak i życiu codziennym, rosną obawy przed zagrożeniami
związanymi z ich wykorzystaniem. Produkcja, użytkowanie i usuwanie wyrobów zawierających
nanomateriały może doprowadzić do ich pojawienia się w powietrzu, wodzie, glebie lub nawet
organizmach żywych. Mimo podjęcia na całym świecie wielu inicjatyw badawczych [2, 4, 5, 8,
11,13, 16, 22, 23], nadal niewiele wiadomo na temat potencjalnego wpływu nanomateriałów na
zdrowie i środowisko. Ponadto wiele przeprowadzonych do tej pory badań niesie ze sobą więcej
pytań niż odpowiedzi.
Istnienie wielu niewiadomych, co do potencjalnych skutków oddziaływania nanomateriałów na
zdrowie człowieka i środowiska przyrodniczego, stanowi główne ograniczenie produkcji
i stosowania tych substancji. Może także poważnie ograniczyć korzystanie z pozytywnych
aspektów inżynierii nanomateriałów, gdyż nadal nieznany pozostaje wpływ nanomateriałów
i nanocząstek na organizmy żywe. Jak zostało to opisane powyżej nanocząstki, a tym samym
produkty z nich otrzymane posiadają oryginalne właściwości, które nie występują w materiałach
w skali makro i decydują o ich niezwykłej atrakcyjności. Niestety większość z nanomateriałów ma
dwoisty charakter: część posiadanych przez nie właściwości sprawia, że ich zastosowanie
w inżynierii środowiska i medycynie staje się atrakcyjne, jednak równocześnie posiadają one
niepokojące właściwości, które mogą powodować toksyczność tych materiałów. Do tego typu
właściwości zaliczyć można biokinetykykę i aktywność biologiczną. Właściwości te zależą przede
wszystkim od cech takich jak morfologia (wielkość, kształt, stan aglomeracji, krystaliczność) oraz
chemizmu i cech powierzchni nanocząstek. Z dotychczas przeprowadzonych badań, wynika, że
V Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2010
383
największe zagrożenie mogą stanowić wolne pojedyncze nanocząstki. Niebezpieczeństwo wiąże
się z możliwością ich ewentualnego przenikania przez większość biologicznych barier (np. bariera
krew-mózg), ze względu na mały rozmiar nanoobiektów. Badania wykazały, że nanocząstki mogą
modyfikować odpowiedzi oraz interakcje komórek, np. stworzyć możliwość przenikania więk-
szych cząsteczek zapalnych przez naskórek do organów wewnętrznych, ich transportu wzdłuż
aksonów i dendrytów neuronów, powodować stres oksydacyjny, wiązać się z białkami i recepto-
rami, czy też akumulować w mitochondriach. Nanocząstki wchłonięte przez drogi oddechowe
mogą przemieszczać się po całym ciele różnymi drogami i za pomocą różnych mechanizmów.
Gdy znajdą się one w krwioobiegu mogą zakłócić funkcjonowanie całego organizmu poprzez
kumulowanie się w wątrobie, śledzionie, szpiku kostnym, sercu i innych narządach. Dotąd
nieznane są negatywne skutki akumulacji nanocząstek w organizmach żywych, zatem niewyja-
ś
nione pytania powinny jak najszybciej znaleźć odpowiedź na drodze odpowiednich eksperymen-
tów przeprowadzonych przez nanotechnologów i toksykologów [2, 4, 9, 13, 16, 20, 21].
Innym problemem, z którym należy się zmierzyć są nanonowotwory, czyli wszelkie niewłaści-
wie funkcjonujące nanourządzenia i nanomateriały umieszczone w ludzkim organizmie bądź w
ś
rodowisku naturalnym. Zepsucie lub/i złe funkcjonowanie nanoproduktów może polegać na
nadmiernym samoreplikowaniu się wewnątrz i na zewnątrz organizmów żywych, gromadzeniu się
w jednym miejscu, powodującym toksyczność, czy też zmianie wykonywanej funkcji np.
uszkadzanie komórek zamiast regenerowania, niepoprawne lokalizowanie zagrożeń, itp. Problemy
tego typu mogą być rozwiązane poprzez umieszczanie biologicznych lub technicznych bezpieczni-
ków oraz nanosensorów w nanoproduktach [16, 21].
Kolejną kwestią jest konieczność zapewnienia odpowiednich warunków produkcji
nanomateriałów. Obecnie w procesach produkcji nanomateriałów stosuje się składniki stanowiące
zagrożenie dla zdrowia ludzkiego i środowiska przyrodniczego. Dodatkowo produkcja tych mate-
riałów wiąże się z ryzykiem przedostawania się do środowiska zanieczyszczeń w skali nano-
metrycznej, czy też produktów nanometrycznych, niepowstrzymywanych przez stosowane bariery.
Mimo, iż po przeniesieniu produkcji nanomateriałów ze skali laboratoryjnej na skalę przemysłową
procesy syntezy tych substancji staną się bardziej ekologiczne należy upewnić się, że korzyści dla
ś
rodowiska płynące ze stosowania nanomateriałów nie będą mniejsze niż zagrożenia wynikające
z negatywnych skutków ich wytwarzania. Należy stworzyć w pełni kontrolowalne, czyste
i przyjazne środowisku technologie produkcji nanomateriałów [2, 4, 16, 20, 23].
Istnieją ponadto katastroficzne wizje przedstawiające świat opanowany przez nanoroboty bądź
nanoorganizmy. Według teorii E. Drexler możliwe jest stworzenie nanoskopijnych robotów, które
odpowiednio zaprogramowane mogłyby budować z dostarczonych surowców nanomateriały
i nanourządzenia. Proces ten jednak może wyrwać się z pod kontroli i samoreplikujące się
assemblery (nanoroboty, które są w stanie przesuwać atomy) zaczynają sie powielać i tworzyć
szarą masę, która mogłaby być zakaźna i niebezpieczna dla ludzi, a w ostateczności doprowadzić
do zniszczenia lub radykalnej zmiany znanego nam świata (grey goo scenario). W celu
przeciwdziałania takiemu biegowi wydarzeń można wewnątrz maszyn umieścić bezpieczniki,
ciągle nadzorować ich prace, a także stworzyć inny rodzaj maszyn, mający na celu sprawowanie
kontroli nad nanobotami. Obecnie teoria grey goo scenario jest uważana za niemożliwą do
spełnienia. Laureat Nagrody Nobla Richard Smalley wykazuje właściwości wiązań chemicznych
niepozwalające każdemu atomowi i każdej cząsteczce na łączenie się z sobą. Przede wszystkim
istnieje jednak problem grubych palców (nanobot zespala materię atom po atomie za pomocą
palców, które posiadają określona grubość i przez to nie może uchwycić tylko wybranego atomu
bez oddziaływania na atomy wokół; w rezultacie palce przeszkadzają sobie nawzajem) i lepkich
palców (złapane atomy, w zależności od rodzaju łączą się ze sobą uniemożliwiając swobodne ich
podnoszenie i odkładanie). Jako bardziej prawdopodobna uznawana jest teoria green goo scenario,
zakładająca, iż sztuczne nanoorganizmy oparte na DNA mogą wydostać się z laboratoriów
Szponder D. K.: Nanomateriały w środowisku – korzyści i zagrożenia
384
i wyrządzić olbrzymie szkody w środowisku naturalnym. Problem ten znany jest już od dłuższego
czasu, a za najlepsze jego rozwiązanie zakłada się ścisłe izolowanie takich organizmów od
ś
rodowiska [7, 9, 21].
Obecnie wydaje się jednak, że największe ryzyko związane z nanotechnologią polega na braku
jej kontroli. Nie istnieją środki techniczne do monitorowania środowiska przyrodniczego, co do
obecności i oddziaływania nanocząstek i nanomateriałów. Brak także odpowiednich przepisów
zarówno na szczeblach lokalnych jak i międzynarodowych regulujących kontrolę wytwarzania,
użytkowania i utylizowania nanomateriałów. Tylko stuprocentowa wiedza na temat oddziaływania
nanoproduktów na środowisko umożliwi ich wykorzystanie w przemyśle. W przeciwnym razie nie
można wprowadzać ich do środowiska, gdyż mogą przynieść więcej szkód niż korzyści [2, 4, 13,
20, 21].
4. Podsumowanie
Pojawienie się nanonauki i nanotechnologii było jednym z najbardziej spektakularnych
przejawów globalnej rewolucji technologicznej. Nanomateriały i nanourządzenia ze względu na
swoje niewielkie wymiary i unikatowe właściwości znalazły zastosowanie w wielu obszarach
działalności i życia człowieka. Także ich wykorzystanie w inżynierii środowiska może przynieść
niezwykłe korzyści dla organizmów żywych i środowiska przyrodnicze. Jak udowodniono
powyżej nanotechnologia znajduje szerokie zastosowanie w monitoringu całej biosfery, może
zostać użyta do oczyszczania wód i powietrza, czy też ograniczenia zużycia energii i surowców
nieodnawialnych. Zastosowanie nanomateriałów w wielu gałęziach przemysłu przyczyni się do
zmniejszenia ilości produkowanych odpadów, substancji niebezpiecznych wprowadzanych do
ś
rodowiska, a także powstania ekologicznych technologii. Coraz częściej pojawiają się jednak
dyskusje dotyczące bezpieczeństwa i ryzyka stosowania nanotechnologii, a przede wszystkim ich
toksyczności dla organizmów żywych. Wśród zagrożeń, jakie stwarzają one dla środowiska
przyrodnicze wyróżnić można zwiększoną reaktywność chemiczną tych substancji, toksyczne
efekty użytkowania nanoproduktów, czy też problemy z utylizacją nanoodpadów. Sama produkcja
tego typu materiałów niesie ze sobą ryzyko powstania skażenia środowiska przyrodniczego,
z którym współczesna cywilizacja nie będzie sobie w stanie poradzić. Ryzyko związane jest także
z brakiem środków techniczne do monitorowania środowiska, co do obecności i oddziaływania
nanocząstek i nanomateriałów a także brakiem międzynarodowych i lokalnych przepisów
prawnych regulujących kontrolę wytwarzania, użytkowania i utylizowania nanomateriałów.
Kluczową kwestią pozostaje zatem, jak odnosić korzyści z nanotechnologii przy jednoczesnym
ograniczaniu tych zagrożeń. Należy stworzyć, zarówno prawne jak i technologiczne, systemy
badania, oceny i kontroli wpływu nanotechnologii i nanomateriałów na środowisko przyrodnicze.
Tylko odpowiednia wiedza na temat nanoproduktów umożliwi ich wykorzystanie, gdyż bez niej
wprowadzenie nanomateriałów do środowiska przyniesie więcej szkód niż korzyści.
Podziękowania
Artykuł został zrealizowany w ramach pracy statutowej 11.11.100.276.
V Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2010
385
Literatura
[1] Dietl T.: Nanotechnologie przyszłości, Polska Akademia Umiejętności, Prace Komisji Zagrożeń
Cywilizacyjnych, 7, s. 15–28, 2006.
[2] Dowling A. P.: Development of nanotechnologies, Nanotoday, s. 30–35, 2004
[3] Dręczewski B., Herman A., Wroczyński P.: Nanotechnologia. Stan obecny i perspektywy, Politechnika
Gdańska, Gdańsk, 1997.
[4] Fleischer T., Grunwald A.: Making nanotechnology developments sustainable. A role for technology
assessment?
, Journal of Cleaner Production, 16, s. 889–898, 2008.
[5] Friedrichsa S., Schulteb J.: Environmental, health and safety aspects of nanotechnology –
implications for the R&D in (small) companies
, Science and Technology of Advanced Materials, 8/1-
2, s. 12-18, 2007.
[6] Gleich A., Steinfeldt M., Petschow U.: A suggested three-tiered approach to assessing the
implications of nanotechnology and influencing its development
, Journal of Cleaner Production, 16, S.
899–909, 2008.
[7] Glenn J. C.: Nanotechnology: Future military environmental health considerations, Technological
Forecasting & Social Change, 73, s 128–137, 2006.
[8] Jones C.F., Grainger D.W.: In vitro assessments of nanomaterial toxicity, Advanced Drug Delivery
Reviews, 61, s. 438–456, 2009.
[9] Komisja Europejska: EUR 21152 – Nanotechnologia – Innowacja dla świata przyszłości, Urząd
Oficjalnych Publikacji Wspólnot Europejskich, Luksemburg, 2007. (ISBN 92-79-00885-4)
[10] Kurosawa S., Park J.W., Aizawa H., Wakida S. I., Tao H., Ishihara K.: Quartz crystal microbalance
immunosensors for environmental monitoring, Biosensors and Bioelectronics
, 22, s. 473–481, 2006.
[11] Li N., Xia T., Nel A. E.: The role of oxidative stress in ambient particulate matter-induced lung
diseases and its implications in the toxicity of engineered nanoparticles
, Free Radical Biology &
Medicine, 44, s. 1689–1699, 2008.
[12] Nanotechnologia a środowisko: nie taki diabeł straszny: Online:http://cordis.lu/fetch?CALLER=PL
_NEWS&ACTION=D&DOC=4306&CAT=NEWS&QUERY=0126c0161ff4:531c:07968bc9&RCN
=27711 (Aktualizacja: 14.06.2010)
[13] Nanotechnologie - analiza argumentów za i przeciw: Online: http://cordis.europa.eu, http://www.4pm.pl/
artykul/nanotechnologie_analiza_argumentow_za_i_przeciw-37-318.html,
(Aktualizacja: 14.06.2010).
[14] Nanotechnologie – zastosowania w przemyśle: Online: www.portfel.pl/pdf/art6658, (Aktualizacja:
14.06.2010).
[15] Nochaiya T., Wongkeo W., Chaipanich A.: Utilization of fly ash with silica fume and properties of
Portland cement–fly ash–silica fume concrete
, Fuel, 89, s. 768–774, 2010.
[16] Owen R., Depledge M.: Nanotechnology and the environment: Risks and rewards, Marine Pollution
Bulletin, 50, s.609–612, 2005.
[17] Rickerby D.G., Morrisonb M.: Nanotechnology and the environment: A European perspective,
Science and Technology of Advanced Materials
, 8/1-2, s. 19-24, 2007.
[18] Serrano E., Rus G., Garcia-Martinez J.: Nanotechnology for sustainable energy, Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 13, s. 2373–2384, 2009.
[19] Sobczak J.: Wybrane aspekty nanotechnologii i nanomateriałów, Kompozyty (Composites), 3/8, s.
385–391, 2003.
[20] Szymczyk M.: Nanotechnologia – zagadnienia podstawowe, Online: http://www.wiedzainfo.pl
/wyklady/703/nanotechnologia_zagadnienia_podstawowe.html, (Aktualizacja: 14.06.2010)
[21] Tomczak J.: Zagrożenia wypływające z nanotechnologii. Online:
http://www.nanotechnologia.republika.pl/Zagrozenia_nanotechnologia.pdf (Aktualizacja: 14.06.2010).
[22] Tratnyek P. G., Johnson R. L.: Nanotechnologies for environmental cleanup, Nanotoday, 1/2, s. 44–
48, 2006.
[23] Uskokovic V.: Nanotechnologies: What we do not know, Technology in Society, 29, s. 43–61, 2007.
[24] Visa M., Bogatu C., Duta A.: Simultaneous adsorption of dyes and heavy metals from multicompo-
nent solutions using fly ash
, Applied Surface Science, 256, s. 5486–5491, 2010.
Szponder D. K.: Nanomateriały w środowisku – korzyści i zagrożenia
386
DOMINIKA KATARZYNA SZPONDER
Nanomaterials in the environment – benefits and risks
Keywords
Nanotechnology – Nanomaterials – Environmental Engineering.
Abstract
Nanotechnology – a field of science, which arose in the nineties of the last century, deals with
a controlled production of nano particles, nano materials and methods used for their research and modeling.
Nanomaterials, because of its small size (one to several hundred nm), have unique properties that can be used
in many areas of life. They are also used in environmental engineering. Nanomaterials can be applied to
improve the monitoring and prevention of the air and water pollution, to online measure of multiple
parameters and to remove contaminants from the environment or to reduce the quantity of waste produced in
industry and daily life. Recently, scientists have been looking into the unknown effects of nanomaterials on
environment and human health and, above all, their toxicity to living organisms. These threats include:
increased reactivity of nanomaterials, the ease with which they are disperse and penetrate the cell membrane,
transfer of harmful substances and a large impact area. The paper presents an assessment of the impact of
nanomaterials on the environment. Author shows and discusses examples of environmental benefits of
nanomaterials, as well as the risks associated with their introduction into the environment.