Gli scienziati della Northwestern University hanno trovato un modo per rilevare il cancro al seno metastatico disponendo i filamenti di DNA in forme sferiche e usandoli per coprire una minuscola particella d'oro, creando un "nano-bagliore" che si accende solo quando trova le cellule del cancro al seno. Al MIT, i ricercatori stanno cercando di aumentare la capacità fotosintetica delle piante incorporando minuscoli tubi di carbonio chiamati nanotubi nei cloroplasti. Sperano di sviluppare eventualmente piante con la capacità di monitorare l'inquinamento ambientale, pesticidi, infezioni fungine, o esposizione a tossine batteriche. Questi sono solo due esempi di ricerca in corso nel campo delle nanotecnologie, una delle aree scientifiche in più rapida crescita, ingegneria e industria che viene utilizzata in un numero sempre maggiore di prodotti di consumo ogni giorno.

La nanotecnologia comprende la produzione e la manipolazione di materiali su piccola scala, misurata in miliardesimi di metro, o nanometri. A volte coinvolge strati di materiale dello spessore di un solo atomo, circa 0,2 nanometri. A confronto, un capello umano è 80, 000 nanometri; una molecola di DNA è 2-2,5 nm.

Le nanoparticelle esistono in natura, nella polvere, incendi boschivi, vulcani, metalli, ecc. Ma la nanotecnologia generalmente coinvolge materiali ingegnerizzati (che possono includere nanoparticelle naturali) con almeno una dimensione che misura 100 nm o meno. Alla nanoscala, le classiche leggi della fisica non si applicano più, con conseguente materiale che assume ottiche diverse, proprietà elettriche o magnetiche di quelle che avrebbe in una forma più ingombrante. Ciò è in parte dovuto al fatto che il materiale su scala nanometrica ha un'area superficiale relativamente più ampia rispetto al suo volume rispetto allo stesso materiale in forma sfusa.

È perché i nanomateriali hanno queste proprietà alterate che sono così utili. Possono avere una maggiore capacità di condurre o resistere all'elettricità, eccellente purezza del colore, maggiore capacità di accumulo o trasferimento di calore, capacità di assorbimento extra, o proprietà antibiotiche. Alla nanoscala, rame, normalmente opaco, diventa trasparente; l'alluminio stabile diventa combustibile; e oro, generalmente solido, diventa un liquido. Nano argento, un antibatterico, è usato nelle bende, calze e imballaggi alimentari. Le nanoparticelle di ossido di zinco si trovano nelle creme solari e nei cosmetici. Il biossido di titanio nano è usato in capsule di medicinali, supplementi nutrizionali, additivi del cibo, creme per la pelle, e dentifricio; e in alimenti come cocco e yogurt come sbiancante.

La nanotecnologia prevede la creazione di nanostrutture come il grafene a base di carbonio (un foglio di atomi di carbonio dello spessore di 1 atomo) o i nanotubi di carbonio (un tubo di atomi di carbonio), che sono ottimi conduttori di elettricità; così come l'uso di nanoparticelle che vengono combinate con altri materiali per ottimizzare determinate caratteristiche.

Gli scienziati che lavorano nella nanotecnologia di solito usano le molecole come elementi costitutivi. Come esempio, possono fare qualcosa in parte di silicio, combinato con una molecola organica e alcuni nano widget per produrre una nanostruttura sfaccettata diversa da qualsiasi cosa si trovi in ​​natura, ha spiegato James Yardley, amministratore delegato del Nanoscale Science and Engineering Center della Columbia University. La scelta dei materiali spesso dipende dall'area di ricerca. Ricercatori di elettronica, ad esempio, spesso lavorano con silicio o carbonio; i ricercatori di biotecnologia lavorano con molecole organiche più grandi; e i ricercatori sui materiali potrebbero utilizzare il ferro, acciaio o cromo.

Centro di scienza e ingegneria su nanoscala della Columbia, uno dei primi centri scientifici e ingegneristici su nanoscala istituiti dalla National Nanotechnology Initiative, concentra la sua ricerca sull'elettronica. Scienziati qui, pionieri nella ricerca sul grafene (il materiale più resistente conosciuto dall'uomo per unità di peso), stanno scoprendo come usarlo per sostituire il silicio, essenziale nei semiconduttori e in molti prodotti elettronici. Lo stanno usando per sviluppare applicazioni per celle solari, touchscreen e sensori. Il centro sta lavorando anche con i nanotubi di carbonio, che stanno consentendo lo sviluppo di nuovi dispositivi elettronici; e costruire dispositivi fotovoltaici su scala nanometrica per renderli molto più efficienti.

Ogni giorno, gli scienziati stanno escogitando nuove applicazioni per la nanotecnologia. Un centro di ricerca nano internazionale ha creato una rete di nanofibre in grado di rimuovere le tossine dal sangue, che potrebbe eliminare la necessità della dialisi per i pazienti con insufficienza renale. Ricercatori svizzeri sono recentemente riusciti a produrre nanocristalli uniformi di antimonio, che può immagazzinare un gran numero di ioni di litio e sodio, e potrebbe un giorno essere utilizzato per produrre batterie ad alta densità di energia.

Nel futuro, si prevede che le nanotecnologie rendano le tecnologie della comunicazione e dell'informazione più veloci ed economiche, e creare materiali super-duri. In medicina, i nanomateriali saranno utilizzati come minuscoli sensori per rilevare malattie o come chip per monitorare i processi corporei, per impianti, e come sistemi di somministrazione di farmaci che possono colpire cellule specifiche. I nanomateriali saranno in grado di filtrare gli inquinanti dall'ambiente o rimuoverli dagli scarichi. La nanotecnologia andrà a vantaggio dell'esplorazione dello spazio rendendo possibili veicoli più leggeri e sistemi robotici più piccoli. I nanorivelatori di agenti chimici e biologici miglioreranno la sicurezza nazionale. Alcuni scienziati prevedono che un giorno, saranno in grado di creare nanomateria programmabile le cui proprietà possono essere controllate o modificate.

"La nanoscienza è un esempio di una vera frontiera nella scienza di base che ha davvero il potenziale per rivoluzionare tanti aspetti dell'esistenza quotidiana, " ha detto Michael Purdy, vicepresidente esecutivo per la ricerca presso la Columbia University. "In pochi decenni, vedremo delle grandi rivoluzioni, ed è davvero la fisica che ha fornito queste nuove scoperte." È particolarmente entusiasta della ricerca sui nuovi materiali, che offre la possibilità di sviluppare materiali superconduttori e pannelli solari sempre più efficienti.

Oggi, ce ne sono già più di 1, 600 prodotti sul mercato che incorporano nanomateriali:arricciacapelli, frigoriferi, cera per auto, schermi di proiezione, inchiostri, iPhone, computer portatili, asciugamani, pittura per la casa, capi di abbigliamento, occhiali da sole, spazzolini da denti, ciucci, detersivo per il bucato, giocattoli di peluche, racchette da tennis, spray per la gola, contenitori per alimenti... e molti altri.

Negli Stati Uniti., i produttori sono responsabili di garantire che i loro prodotti soddisfino tutti i requisiti legali e di sicurezza, compresi i prodotti che implicano la nanotecnologia. Non esistono normative specifiche per le nanotecnologie, né alcun requisito di etichettatura per i prodotti che contengono nanomateriali.

Ma sappiamo abbastanza su questa nuova tecnologia per capire quali potrebbero essere i potenziali impatti non intenzionali sulla salute umana e sull'ambiente? Man mano che i nanomateriali diventano più diffusi, il pubblico e coloro che lavorano con loro saranno sempre più esposti a loro. Dal 2001, il governo federale ha investito quasi 20 miliardi di dollari nella ricerca sulle nanotecnologie attraverso la National Nanotechnology Initiative, ma solo 750 milioni di dollari per studiare gli impatti ambientali e sulla salute e la sicurezza delle nanotecnologie.

Mentre le nanostrutture sono solitamente incorporate in entità più grandi e rimangono abbastanza stabili, nanoparticelle, a causa delle loro dimensioni, può essere inalato, ingerito e assorbito attraverso la pelle e gli occhi.

Possono entrare nelle cellule, nervi, ovaie, linfonodi e muscoli e attraversano la barriera ematoencefalica. Possono accumularsi nei polmoni, fegato o cervello. Alcune nanoparticelle potrebbero influenzare il sistema immunitario e la capacità delle cellule di affrontare i patogeni.

I ricercatori hanno scoperto che quando i topi inalano nanomateriali di ossido di manganese inalati quotidianamente dai saldatori di fabbrica, le nanoparticelle si sono depositate nel cervello e nei polmoni, innescando segni di infiammazione e stress cellulare. Quando testato su topi glabri, nanoparticelle di biossido di titanio, comunemente usato per bloccare i raggi del sole senza la pastosità bianca, invecchiamento cutaneo indotto. Dopo aver mescolato per due anni il nano biossido di titanio nell'acqua potabile dei topi, gli scienziati hanno scoperto che i topi avevano un significativo danno al DNA e ai cromosomi. I nanotubi di carbonio introdotti nello stomaco dei topi si comportavano come l'amianto, provocando infiammazioni e lesioni.

È inevitabile che le nanoparticelle ingegnerizzate vengano gradualmente rilasciate nell'ambiente attraverso perdite dalla produzione e dal trasporto dei prodotti, utilizzo, e materiali di scarto. Entreranno nell'aria, suolo e acqua. Nano argento, che è antibiotico, potrebbe trovare la sua strada dalle discariche, impianti di trattamento delle acque reflue e impianti industriali in ecosistemi dove potrebbe essere tossico per le creature acquatiche e terrestri.

Il Centro per le implicazioni ambientali delle nanotecnologie, un altro centro istituito dalla National Nanotechnology Initiative, studia il comportamento dei nanomateriali e il loro potenziale biologico, impatti ambientali ed ecologici.

In cinque anni, il centro ha esposto piante e microbi al nano argento e ha scoperto che anche se somministrato a basse dosi, le piante e i microbi hanno prodotto circa un terzo in meno di biomassa, che indica lo stress.

A causa della loro superficie relativamente ampia, le nanoparticelle ingegnerizzate sono altamente reattive. Secondo la National Nanotechnology Initiative, i nanomateriali rilasciati nell'ambiente possono essere trasformati da condizioni ambientali quali temperatura e salinità, la natura di un habitat, e la presenza di altri contaminanti. I nanomateriali trasformati possono a loro volta alterare l'atmosfera, suolo, o chimica dell'acqua. E queste trasformazioni possono cambiare la forma dei nanomateriali a cui gli esseri umani e gli ecosistemi sono esposti.

Benajamin Bostick, un chimico ambientale e professore associato di ricerca al Lamont Doherty Earth Observatory, sta studiando come certe nanoparticelle si trasformano nell'ambiente per capire se sono buone o cattive, come si muovono nell'ambiente e la loro tossicità.

"Le nanoparticelle non sono necessariamente sicure o pericolose, " Egli ha detto, "Devi sapere quali sono i loro elettori." La loro tossicità è influenzata dalle loro dimensioni, Composizione chimica, forma, struttura superficiale, carica superficiale, solubilità, come si aggregano e la presenza di altre sostanze chimiche.

Quando si valutano la sicurezza e gli impatti delle nanoparticelle, è necessario prendere in considerazione una moltitudine di fattori, e devono essere studiati in ambienti realistici complessi nel tempo per prevedere con precisione i loro effetti. Per i prossimi cinque anni, il Centro per le implicazioni ambientali delle nanotecnologie esaminerà come i nanomateriali vengono trasferiti tra organismi, come si bioaccumulano nelle reti trofiche, l'interazione tra nanoparticelle e contaminanti ambientali, e l'impatto dell'esposizione a basse dosi ea lungo termine alle nanoparticelle sugli ecosistemi.

"Parte dello scopo della ricerca in corso al centro è aiutare la comunità a definire quali regole garantiranno un alto grado di sicurezza... gli scienziati lavorano a stretto contatto con l'EPA, e OSHA, e l'intero insieme di agenzie, " ha detto Yardley.

I nanomateriali sono attualmente coperti da vari atti sotto la U.S. Environmental Protection Agency (EPA), la Food and Drug Administration (FDA), e l'Amministrazione per la sicurezza e la salute sul lavoro (OSHA), ma le agenzie stanno cominciando a guardare in modo specifico ai rischi posti dalla nanotecnologia.

Bostick ha messo in guardia dal dipingere tutte le nanoparticelle con un pennello largo.

"Dobbiamo pensare alle nanoparticelle che sono pericolose e capire come usarle in modo sicuro o trovare alternative. Ma non dovremmo raggruppare tutte le nanoparticelle in un'unica categoria in modo che quelle sicure non possano essere utilizzate. Dobbiamo distinguere tra loro, " Egli ha detto.

L'EPA sta attualmente valutando gli impatti sulla salute e sulla sicurezza di alcuni nanomateriali:nanotubi di carbonio, ossido di cerio, diossido di titanio, nano argento, ferro e rame micronizzato. Nell'aprile 2012, la FDA ha emesso due bozze di documenti guida sull'uso delle nanotecnologie negli alimenti e nei cosmetici. Alle aziende che utilizzano nanoparticelle negli additivi alimentari o negli imballaggi è stato consigliato di consultare la FDA e dimostrare che i loro prodotti sono sicuri prima di venderli. Le aziende di cosmetici che utilizzano la nanotecnologia sono state invitate a eseguire ulteriori test di sicurezza. Nessuna guida definitiva è stata ancora pubblicata.

Berkeley, California, è la prima e unica città degli Stati Uniti a regolamentare le nanotecnologie. Richiede ai produttori e ai gestori di nanoparticelle di divulgare informazioni tossicologiche, informazioni ambientali e di sicurezza alla Divisione Gestione dei Tossici della città.

Sebbene Yardley abbia fiducia nel nostro sistema normativo esistente e nel suo funzionamento, ha riconosciuto, "Ci devono essere cambiamenti nelle nostre definizioni normative di materiali e categorie... queste cose non hanno solo composizione chimica, ma hanno una dimensione e una forma, e funzionalizzazione della superficie, e tutte queste cose determinano la tossicità nei materiali su scala nanometrica. … Di sicuro, la natura dei nostri regolamenti dovrà cambiare, e dovranno considerare queste funzioni. E dovremo preoccuparci degli effetti dalla culla alla tomba".

Nel frattempo, i consumatori che vogliono evitare prodotti contenenti nanomateriali o nanoparticelle dovrebbero evitare i tessili, integratori alimentari e cosmetici etichettati "nano, " "ultrafine, ""micronizzato" o "antimicrobico". Evita i fertilizzanti biosolidi, a volte chiamati fertilizzanti "organici", poiché spesso contengono nano argento. I prodotti certificati biologici USDA non contengono nanomateriali, ma i cosmetici "biologici" o "tutto naturali" possono.