Il modo in cui le nanoparticelle si comportano nell'ambiente è estremamente complesso. Attualmente mancano dati sperimentali sistematici che aiutino a comprenderli in modo completo, come hanno dimostrato gli scienziati ambientali dell'ETH in un ampio studio di panoramica. Un approccio più standardizzato aiuterebbe a far avanzare il campo della ricerca.

L'industria delle nanotecnologie è in piena espansione. Ogni anno, diverse migliaia di tonnellate di nanoparticelle artificiali vengono prodotte in tutto il mondo; presto o tardi, una certa parte di essi finirà in corpi idrici o nel suolo. Ma anche gli esperti trovano difficile dire esattamente cosa succede loro lì. È una domanda complessa, non solo perché ci sono molti diversi tipi di nanoparticelle artificiali (ingegnerizzate), ma anche perché le particelle si comportano diversamente nell'ambiente a seconda delle condizioni prevalenti.

I ricercatori guidati da Martin Scheringer, Senior Scientist presso il Dipartimento di Chimica e Bioscienze Applicate, voleva fare un po' di chiarezza su questo problema. Hanno esaminato 270 studi scientifici, e il quasi 1, 000 esperimenti di laboratorio descritti in essi, ricerca di modelli nel comportamento delle nanoparticelle ingegnerizzate. L'obiettivo era fare previsioni universali sul comportamento delle particelle.

Le particelle si attaccano a tutto

Però, i ricercatori hanno trovato un quadro molto contrastante quando hanno esaminato i dati. "La situazione è più complessa di quanto molti scienziati avrebbero precedentemente previsto, ", afferma Scheringer. "Dobbiamo riconoscere che non possiamo tracciare un quadro uniforme con i dati a nostra disposizione oggi".

Nicole Sani-Kast, uno studente di dottorato nel gruppo di Scheringer e primo autore dell'analisi pubblicata sulla rivista PNAS , aggiunge:"Le nanoparticelle ingegnerizzate si comportano in modo molto dinamico e sono altamente reattive. Si attaccano a tutto ciò che trovano:ad altre nanoparticelle per formare agglomerati, o ad altre molecole presenti nell'ambiente."

Analisi di rete

A cosa reagiscono esattamente le particelle, e quanto velocemente, dipende da vari fattori come l'acidità dell'acqua o del suolo, la concentrazione dei minerali e dei sali esistenti, e soprattutto, la composizione delle sostanze organiche disciolte nell'acqua o presenti nel terreno. Il fatto che le nanoparticelle ingegnerizzate abbiano spesso un rivestimento superficiale rende le cose ancora più complicate. A seconda delle condizioni ambientali, le particelle trattengono o perdono il loro rivestimento, che a sua volta influenza il loro comportamento di reazione.

Per valutare i risultati disponibili in letteratura, Sani-Kast ha utilizzato per la prima volta un'analisi di rete in questo campo di ricerca. È una tecnica familiare nella ricerca sociale per misurare le reti di relazioni sociali, e le ha permesso di dimostrare che i dati disponibili sulle nanoparticelle ingegnerizzate sono incoerenti, non sufficientemente diversificato e poco strutturato.

Più metodo per l'apprendimento automatico

"Se più strutturato, erano disponibili dati coerenti e sufficientemente diversificati, potrebbe essere possibile scoprire modelli universali utilizzando metodi di apprendimento automatico, "dice Scheringer, "ma non ci siamo ancora." Devono prima essere disponibili sufficienti dati sperimentali strutturati.

"Affinché la comunità scientifica possa condurre tali esperimenti in modo sistematico e standardizzato, è necessaria una sorta di coordinamento, " aggiunge Sani-Kast, ma è consapevole che tale lavoro è difficile da coordinare. Gli scienziati sono generalmente noti per preferire esplorare nuovi metodi e condizioni piuttosto che eseguire di routine esperimenti standardizzati.

Distinguere le nanoparticelle artificiali e naturali

Oltre alla mancanza di ricerche sistematiche, c'è anche un secondo problema tangibile nella ricerca sul comportamento delle nanoparticelle ingegnerizzate:molte nanoparticelle ingegnerizzate sono costituite da composti chimici che si trovano naturalmente nel suolo. Finora è stato difficile misurare le particelle ingegnerizzate nell'ambiente poiché è difficile distinguerle dalle particelle naturali con la stessa composizione chimica.

Però, ricercatori del Dipartimento di Chimica e Bioscienze Applicate del Politecnico di Zurigo, sotto la direzione del professor Detlef Günther dell'ETH, hanno recentemente stabilito un metodo efficace che rende possibile tale distinzione nelle indagini di routine. Hanno utilizzato una tecnica di spettrometria di massa all'avanguardia e altamente sensibile (chiamata spettrometria di massa spICP-TOF) per determinare quali elementi chimici costituiscono le singole nanoparticelle in un campione.

In collaborazione con scienziati dell'Università di Vienna, i ricercatori dell'ETH hanno applicato il metodo a campioni di terreno con particelle naturali contenenti cerio, in cui hanno mescolato nanoparticelle di biossido di cerio ingegnerizzate. Utilizzando metodi di apprendimento automatico, che si adattavano idealmente a questo particolare problema, i ricercatori sono stati in grado di identificare le differenze nelle impronte digitali chimiche delle due classi di particelle. "Mentre le nanoparticelle prodotte artificialmente sono spesso costituite da un singolo composto, le nanoparticelle naturali di solito contengono ancora una serie di elementi chimici aggiuntivi, " spiega Alexander Gundlach-Graham, un postdoc nel gruppo di Günther.

Il nuovo metodo di misurazione è molto sensibile:gli scienziati sono stati in grado di misurare particelle ingegnerizzate in campioni con particelle naturali fino a cento volte superiori.