A volte i materiali innovativi con importanti benefici per la società pongono rischi ambientali che non sono evidenti fino a decenni dopo. Nel crescente campo delle nanotecnologie, la creazione di materiali o processi su scala nanometrica, i ricercatori stanno cercando di identificare i potenziali pericoli prima che i nuovi prodotti siano ampiamente utilizzati.

"Troppo spesso in passato non sappiamo se qualcosa diventerà un rischio finché non sarà troppo tardi ed è già là fuori, "dice Geoffrey Bothun, professore associato di ingegneria chimica presso l'Università del Rhode Island. "Piuttosto che creare prodotti con nanomateriali e semplicemente rilasciarli sul mercato, il settore vuole capire meglio che tipo di rischi ambientali o di sicurezza sono associati a questi materiali."

La nanotecnologia offre il potenziale per molte nuove applicazioni in medicina, elettronica, energia e biomateriali ma, come ogni nuova tecnologia, solleva anche preoccupazioni sulla possibile tossicità per l'uomo e l'ambiente derivante dall'esposizione a lungo termine.

"C'è molta eccitazione su ciò che la nanotecnologia può fare per la creazione di posti di lavoro, sviluppo di nuovi prodotti e materiali migliori, " Bothun dice. "Si pensa che sia la nuova rivoluzione industriale. Ma gli scienziati, ingegneri e decisori politici vogliono anticipare il gioco e guidare la progettazione dei migliori materiali con il minor impatto ambientale".

Lo scienziato finanziato dalla National Science Foundation (NSF) sta studiando in particolare come le nanoparticelle ingegnerizzate si legano alle membrane cellulari, e l'impatto del processo sulla membrana stessa.

"Non sappiamo abbastanza su come avvengono queste interazioni fisiche, e in che misura contribuiscono alla tossicità, " dice. "Le nanoparticelle possono e inibiscono o uccidono le cellule. In alcuni casi, questo è quello che dovrebbero fare. Per esempio, ci sono molte molecole antimicrobiche naturali che si legano a una membrana, romperlo e rompere buchi, portando alla morte cellulare."

Le nanoparticelle esistono in molti prodotti che entrano in stretto contatto con l'uomo, tra loro, capi di abbigliamento, medicinale, cosmetici e creme solari.

"Nanoparticelle d'argento, Per esempio, sono in tenuta da caccia e abbigliamento sportivo e agiscono quasi come un antibiotico, " Bothun dice. "Uccidono i batteri che causano la puzza in gran parte rilasciando ioni d'argento. Siamo esposti a questo argento tutto il tempo, ma se sia pericoloso o meno è in qualche modo sconosciuto."

Il suo obiettivo di ricerca è quello di apprendere abbastanza su ciò che accade nelle interazioni nanoparticelle-membrana per consentire agli esperti di utilizzare queste informazioni per prevedere se le particelle si dimostreranno tossiche. "Se comprendiamo i meccanismi alla base del modo in cui queste particelle si attaccano alle cellule, che dovrebbe aiutarci a progettare particelle che potrebbero legarsi selettivamente a, Per esempio, batteri e non cellule umane, " lui dice.

Bothun sta conducendo la sua ricerca nell'ambito di un premio NSF Faculty Early Career Development (CAREER), che ha ricevuto nel 2011. Il premio sostiene docenti junior che esemplificano il ruolo di docenti-studiosi attraverso ricerche eccezionali, ottima educazione, e l'integrazione dell'istruzione e della ricerca nel contesto della missione della loro organizzazione.

Lui e il suo team usano la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) per studiare le membrane cellulari batteriche sintetiche che creano e quindi espongono a diversi tipi di nanoparticelle. "Possiamo cambiare la composizione della membrana, e tipo e composizione e dimensione delle nanoparticelle, " dice. "Abbiamo molte variabili con cui possiamo giocare da entrambe le parti. Con TEM possiamo visualizzare direttamente il legame della membrana delle nanoparticelle e i cambiamenti che si verificano nella membrana come risultato di questo legame".

Hanno già determinato che le nanoparticelle possono comportarsi come proteine, "il che significa che possiamo utilizzare alcune delle nostre conoscenze e tecnologie esistenti sulle interazioni delle proteine ​​per aiutare a comprendere e prevedere le interazioni delle nanoparticelle, "dice. "Per esempio, ci sono casi in cui le nanoparticelle idrofobe (che odiano l'acqua) possono cambiare la struttura della membrana cellulare in modo simile alle proteine ​​idrofobe".

Come parte della componente educativa della sovvenzione, gli scienziati hanno promosso un corso di educazione generale del primo anno all'università con l'obiettivo di educare gli studenti al sociale, impatti economici e ambientali delle nanotecnologie, così come la necessità di comunicare efficacemente le tecnologie emergenti a un vasto pubblico. Prevedono inoltre di sponsorizzare attività di sviluppo professionale, compresi laboratori di ricerca e specializzati, per integrare il curriculum.

Finalmente, stanno sviluppando un nuovo programma di scuola superiore, "Pensa in piccolo/Sogna in grande!" per le lezioni di scienze nelle scuole urbane dell'area metropolitana di Providence. Gli studenti lavoreranno con il microscopio elettronico a trasmissione, analizzare i nanomateriali utilizzando strumentazioni all'avanguardia.

"L'obiettivo qui è informare ed emozionare gli studenti delle scuole superiori sulla nanotecnologia, e tutto lo STEM (scienza, tecnologia, ingegneria e matematica) settori, e per mostrare loro come la nanotecnologia avrà un impatto sulle loro vite in futuro e il ruolo che possono svolgere, " dice Bothun.