La nanotecnologia è incorporata nella società tanto quanto le lettere "n-a-n-o" sono incorporate in questa nanostruttura. La domanda è, quanto è verde quella nanotecnologia nella finestra? Guarda altre foto di scienze verdi. artpartner-images/Getty Images I fan della fantascienza amano l'idea, scritto da Arthur C. Clarke, che "qualsiasi tecnologia sufficientemente avanzata è indistinguibile dalla magia". Con l'avvento delle nanotecnologie, i materiali apparentemente miracolosi, la superconduttività soprannaturale e la fotonica paranormale che hanno alimentato la fantasia per anni sembrano essere dietro l'angolo.
Tutti sanno che la magia ha un costo, però, e alcuni hanno cominciato a chiedersi se, quando la polvere colloidale si deposita dalla nascente nanorivoluzione, il bilancio ecologico ci mostrerà in nero -- o in rosso. Tra loro ci sono gli scienziati, ingegneri e politici che guidano la nanotecnologia verde.
Le particelle su nanoscala non sono niente di innaturale o nuovo. Si trovano nella cenere vulcanica, spruzzi di mare, composti minerali e alcuni tipi di batteri, e abbiamo lavorato con loro almeno dal quarto secolo [fonti:Goldman e Coussens; NNNI, "Nanotecnologia 101"]. Allora cosa è cambiato? I metodi avanzati di microscopia e manipolazione hanno raggiunto un punto di svolta, uno che ci consente di assemblare giocattoli armeggiare sulla scala di singoli atomi e filamenti di DNA.
È un posto eccitante dove stare.
Un nanometro è un miliardesimo di metro, o circa 1/100, 000 lo spessore di un pezzo di carta. Se una nanoparticella avesse le dimensioni di un marmo, allora un metro sarebbe grande quanto la Terra [fonte:NNI, "Nanotecnologia 101"]. Questa dimensione incredibilmente piccola è solo metà della storia, però. La vera magia della nanoscala sta nelle strane regole quantistiche che la governano, e il modo in cui conferiscono ai materiali caratteristiche notevoli. Rispetto ai loro equivalenti macroscopici, i nanomateriali potrebbero essere più forti, meglio condurre calore o elettricità, o hanno proprietà magnetiche diverse.
L'industria è stata pronta a cogliere il potenziale. La nanotecnologia ha già trovato la sua strada in centinaia di prodotti di consumo e applicazioni industriali, inclusi chip per computer, automobili, articoli sportivi, capi di abbigliamento, cosmetici e integratori alimentari. Ancora, siamo ancora solo alla soglia del possibile.
Mentre il progresso accelera, la preoccupazione per l'ambiente e per la salute pubblica ha dato origine a una richiesta di sicurezza ambientale, anche benefico, ricerca e sviluppo su nanoscala.
Nanotecnologia verde implica due obiettivi distinti ma collegati. Da una parte, le notevoli caratteristiche possibili su scala nanometrica promettono una miriade di modi per rendere i prodotti ei processi esistenti più sicuri e sostenibili. Dall'altra, i ricercatori stanno trovando sempre più modi per rendere la nanotecnologia meno tossica durante tutto il suo ciclo di vita. In questo articolo, faremo un giro di come stanno andando a finire questi molti approcci.
Ora facciamo come un folletto e diventiamo piccoli e verdi.
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La minaccia di un disastro ambientale generato dalle nanotecnologie si profila nell'opinione pubblica dal 1987, quando Eric Drexler ha descritto lo scenario del giorno del giudizio "grey goo" nel suo libro "Engines of Creation". Dentro, nanomacchine autoreplicanti invadono il pianeta, moltiplicandosi in modo esponenziale e consumando tutto ciò che si vede, lasciando nulla dietro ma il titolare nanomachine goo [fonti:Feder; Drexler].
Da allora, preoccupazioni più plausibili, come la mancanza di informazioni disponibili sulla tossicità e sugli effetti ecologici a lungo termine delle nanoparticelle, hanno dominato la discussione, ma c'è anche un modo più ecologico di vedere questa minuscola tecnologia. La nanotecnologia può effettivamente aiutare a migliorare l'ambiente, sia affrontando problemi esistenti intrattabili (chiamati problemi legacy ) e progettando soluzioni sostenibili per il futuro.
I problemi di eredità sono tutti intorno a noi. Mentre la fuga di radiazioni della centrale nucleare di Fukushima Daiichi e altri incidenti dominano le notizie, le sfide di riparazione più comuni devono affrontare le comunità ogni giorno, dal ripulire le ex stazioni di servizio all'affrontare le più di 1, 500 siti Superfund solo negli Stati Uniti [fonte:EPA, "Elenco delle priorità nazionali Superfund"].
Ferro su nanoscala offre un approccio sicuro per neutralizzare i solventi organici clorurati, pesticidi organici a base di cloro come DDT e policlorobifenili (PCB). Aggiungi nanoparticelle di ferro al tetracloroetene (un comune solvente utilizzato nel lavaggio a secco) e il ferro si ossida, o arrugginisce, liberando elettroni. La reazione divora questi elettroni, lasciando etene, un idrocarburo naturale.
Le squadre di pulizia possono iniettare ferro su scala nanometrica sotto pressione nel terreno inquinato, dove le sue ridotte dimensioni ne consentono il trasporto nelle acque sotterranee o lasciato in loco per interventi di bonifica a lungo termine. Fuori sede, sono altrettanto utili nei reattori di liquami o nei sistemi di filtrazione. Gli scienziati stanno attualmente ricercando applicazioni per l'utilizzo del ferro su scala nanometrica per trattare anche metalli pesanti e radionuclidi [fonte:Zhang].
Potremmo rivolgerci alla nanotecnologia per soddisfare una maggiore salute di base, esigenze alimentari e di sicurezza, pure. Per esempio, sistemi di filtrazione dell'acqua su scala nanometrica che trasformano contaminati, salmastre o acque reflue nell'acqua potabile filtrandola a pressione attraverso pori troppo piccoli per batteri o virus sono in uso da più di un decennio [fonte:Bradbury].
Ora che abbiamo fatto la pulizia e altro ancora, diamo un'occhiata ad alcuni dei modi in cui la nanotecnologia sta rendendo il nostro futuro più verde, pure.
Soluzioni per l'inquinamentoUno dei modi principali in cui la nanotecnologia potrebbe ridurre l'inquinamento è attraverso smaterializzazione -- la riduzione dei materiali necessari alla fabbricazione. I prodotti che possono essere autoassemblati da piccoli componenti utilizzano molto meno materiale di quelli che costruiamo dall'alto verso il basso, che generano rifiuti e spesso richiedono solventi e processi chimici. Nel frattempo, i ricercatori stanno anche sviluppando modi ingegnosi per monitorare l'inquinamento, come i nanosensori in grado di rilevare biochimicamente la contaminazione e gli agenti patogeni, in tempo reale e su vaste aree [fonte:EPA, "Nanotecnologia:sensori"].
La nanotecnologia promette di migliorare la nostra prospettiva ambientale facendoci guadagnare di più in termini di energia e riducendo la nostra dipendenza dai combustibili fossili. Per vedere come, considera la tua auto di famiglia. I veicoli costruiti anche parzialmente da nanomateriali possono essere più leggeri, e quindi più efficiente nei consumi, senza sacrificare forza o sicurezza. Sotto il cappuccio, i nanofiltri possono togliere la sporcizia dal tuo go-juice, in modo che la tua moto emetta meno inquinamento e subisca meno usura del motore. I nanorivestimenti possono rendere i parabrezza e i lavori di verniciatura autopulenti.
Le macchine ecologiche come gli ibridi e i veicoli a idrogeno ne trarranno ancora maggiori benefici. Gli ingegneri stanno già sviluppando celle a combustibile imballate con nanotubi di carbonio per immagazzinare idrogeno e aumentare la reattività. I nanotubi di carbonio potrebbero un giorno anche sostituire il costoso platino come catalizzatore delle celle a combustibile a idrogeno, ridurre i costi [fonte:Battersby].
Grazie a nanofotonica , lo studio del comportamento della luce su scala nanometrica, la nanotecnologia copre il tuo fabbisogno energetico anche a casa e in ufficio. I ricercatori hanno sviluppato finestre, vernici e rivestimenti in pellicola che possono "sintonizzarsi" per riflettere o trasmettere lunghezze d'onda specifiche della radiazione solare, inclusa l'energia infrarossa che sperimentiamo come calore [fonte:Feder]. È come trasformare l'intera casa in un parasole durante l'estate e una coperta spaziale in inverno.
La nanoelettronica più efficiente si tradurrà in aggeggi che ingurgitano meno energia e la immagazzinano in modo più efficiente - un vero vantaggio nella nostra era di gadget-gonzo [fonte:Chmiola]. Punti quantici , ovvero nanocristalli semiconduttori, potrebbe presto alimentare una tecnologia di visualizzazione che racchiuda sia l'efficienza che la lunga durata del biologico diodi emettitori di luce ( OLED ) e la durata dei tubi a raggi catodici (CRT) e dei display a cristalli liquidi (LCD) [fonte:Dumé].
Più in alto il gasdotto energetico, la nanoscienza offre speranza per ampliare le fonti energetiche alternative. I pannelli solari stampati utilizzando nanoparticelle richiedono meno componenti per funzionare, significa che c'è meno da riparare, mantenere o successivamente sotterrare in una discarica. Con costi operativi inferiori, tali pannelli possono produrre meno energia ed essere comunque redditizi [fonte:Markoff]. I ricercatori hanno anche escogitato un modo per estrarre energia dalla differenza di salinità tra l'acqua di mare e quella di fiume. La tecnica si basa su batterie costituite da elettrodi irti di nanobarre [fonte:La Mantia].
Ormai probabilmente stai pensando, "Va tutto bene, ma quanto possono essere ecologiche le soluzioni nanotecnologiche se la loro costruzione crea un disordine tossico?" Come vedremo in questa prossima sezione, molti scienziati e ingegneri sono preoccupati proprio per questi problemi, e si stanno impegnando per rendere la nanotecnologia più verde sin dall'inizio.
La piccola meraviglia della superficieIl rapporto tra la superficie di qualcosa e il suo volume influenza il suo equilibrio energetico e la sua reattività. Idealmente, per costruire un elettrodo o catalizzatore più efficiente, dovresti semplicemente impacchettare quanta più superficie possibile in un dato volume. Sfortunatamente, questo rapporto magico diminuisce man mano che le cose aumentano, soprattutto in forme compatte come sfere o quadrati.
Il trucco è usare una forma meno compatta, come un tubo. Come evidenziato dall'intestino umano e dai brachi polmonari, lungo, le strutture sottili bloccano molta superficie in un piccolo spazio. Con questo in testa, non sorprende che i ricercatori stiano attualmente aggiungendo nanotubi ai LED, celle a combustibile, dispositivi elettrici e catalizzatori.
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Dato il disastro ambientale provocato da altre sostanze apparentemente benefiche, come il DDT, non c'è da meravigliarsi se accogliamo con scetticismo strane invenzioni come i nanotubi di carbonio e i punti quantici, soprattutto quando sappiamo così poco dei loro effetti o tossicità a lungo termine [fonte:Goodman].
Ad alimentare ulteriormente queste preoccupazioni sono i risultati medici che rivelano gli effetti dannosi di alcune nanoparticelle, come i nanotubi di carbonio, che causano granulomi polmonari (sfere di cellule associate a malattie) quando inalate dai ratti. Gli effetti di altre nanoparticelle rimangono inconcludenti, in particolare per quanto riguarda gli esseri umani, ma gli studi indicano che gli ingredienti di dimensioni nanometriche in alcuni filtri solari causano danni al cervello nei topi e nella trota arcobaleno attraverso lo stress ossidativo [fonti:Karn; Choi; Rallo].
Le alternative naturali alla produzione su nanoscala possono essere la chiave per mitigare tali problemi. Nel caso della protezione solare, Per esempio, i ricercatori hanno trovato una nanoparticella potenzialmente più sicura nell'edera inglese. La famigerata tenacia della vite scaturisce da una "super colla" giallastra trasudata dai suoi viticci, che è composto da nanoparticelle quattro volte più efficace come protezione solare rispetto al biossido di titanio o all'ossido di ferro. Le particelle sono biodegradabili, resistente all'acqua e blocca solo i raggi UV [fonte:Raloff].
Idealmente, la costruzione sintetica su nanoscala funzionerebbe come una cellula, usando semplici, sostanze non tossiche a temperatura ambiente per assemblare un prodotto da zero e quindi riciclare o distruggere in modo efficiente gli avanzi. Fino a quando tali tecniche non saranno possibili, i ricercatori verdi stanno cercando sempre più di utilizzare processi naturali come fonte di ispirazione e per alternative sicure ai solventi e ad altri processi pericolosi.
I ricercatori hanno già trovato il modo di utilizzare alcuni batteri per creare nanosfere di selenio, tellurio, seleniuro di zinco e seleniuro di cadmio a temperatura ambiente, ridurre la dipendenza dalle alte temperature, pressioni e sostanze chimiche pericolose [fonte:NNI, "U.S. Geological Survey (USGS)"].
prodotti chimici naturali, come le sostanze fitochimiche presenti naturalmente nelle piante, presentare un'altra alternativa verde. Prendi l'oro su scala nanometrica, una sostanza con applicazioni nelle celle a combustibile, sensori chimici e strumenti biologici [fonti:Ciuffi; Greenberg]. Ciò che un tempo richiedeva grandi quantità di solventi tossici infiammabili ed esplosivi, ora può essere prodotto utilizzando solo un sale d'oro (un composto dell'oro elettricamente neutro) e una soluzione di tè Darjeeling, cannella o cumino [fonti:Schmidt, Nune et al.].
Per quanto entusiasmanti siano le possibilità, finora le nanotecnologie verdi più stimolanti rimangono nell'immaginazione dei ricercatori. Se o quando vengono sviluppati, avranno bisogno di sostegno economico e supporto del mercato per aiutarli a diventare accessibili e ottenere un uso diffuso [fonte:Goodman].
Fino ad allora, tutti possiamo fare la nostra parte per rendere la Terra un luogo più sostenibile, su ogni scala.
Nanoparticelle nel corpo umanoPoiché le nanoparticelle sono così piccole, ignorano la maggior parte delle strutture protettive del corpo, compresa la barriera emato-encefalica che protegge la nostra materia grigia dalle sostanze nocive. Quando inalato o iniettato, questi minuscoli clandestini circolano nel flusso sanguigno e si depositano in organi e tessuti, dove possono costruire. Quando si attiva la risposta immunitaria del corpo, può causare una sovrapproduzione di alcune sostanze chimiche:quelle necessarie al metabolismo, ma tossico quando sbilanciato. Questo "stress ossidativo" è particolarmente dannoso per gli organi con elevate esigenze metaboliche, come il cervello [fonte:Long].
Fonti
