Pravi bum z nano- tehnologijami šele prihaja – EOL 81

dr. Aleksandra Lobnik

Zakaj so nanotehnologije z nanomateriali in njihovimi aplikacijami na različnih področjih v središču znanosti? Ali lahko predstavite nekatere svetovne dosežke, zlasti na območju EU, ki dokazujejo visoko razvitost in uporabnost nanotehnologij in nanomaterialov?
Nanoznanost je področje poznavanja lastnosti neke materije na nano-nivoju. Proučuje osnovne mehanizme formiranja novih nanostruktur, njihove organizacije in transformacije ter vključuje interdisciplinarne raziskave njihovih fizikalnih in kemijskih lastnosti. Nanotehnologija je nekaj let star termin za sintezo, manipulacijo ter kontrolo posameznih molekul ali delcev z velikostjo pod 100 nm. Izraz izvira iz predpone “nano”, ki je uporabljena v sistemu SI za eno miljardinko metra oz. 10-9m. Besedo nanotehnologija je prvi uporabil profesor Norio Taniguchi leta 1974 in podal tudi njeno definicijo, in sicer je nanotehnologijo definiral kot proizvodno tehnologijo, s katero dosežemo izredno natančnost in ultramajhne dimenzije.

Danes je osnovni namen nanotehnologij razvijanje ekonomsko in okolju prijaznih učinkovitih metod za oblikovanje nanostrukturnih materialov. Materiali na nano-nivoju se nahajajo med kvantnim efektom atomov in molekul. Sprememba iz makro- in mikro- področja v nano-področje, kvalitativno modificira večino fizikalno-kemijskih lastnosti materialov. Ko se dimenzije materialov zmanjšajo v eni ali več dimenzijah, se njihove fizikalne in kemijske lastnosti lahko bistveno spremenijo zaradi ekstremnega naraščanja razmerja med površino in volumnom.

Toda zakaj je postala tako popularna? Zaradi raznovrstne uporabe?
Nanotehnologijo lahko najdemo na vseh področjih obstoječe industrije od kemijske, tekstilne, računalništva in informatike, transporta, energetike, avtomobilske, še posebej pa v medicini, biotehnologiji, farmaciji in obrambni industriji. Nanotehnologija nam omogoča izdelavo materialov ali naprav, ki so lažje, hitrejše, močnejše, ki imajo popolnoma nove ali pa dodatne, specifične lastnosti. Nanotehnologija omogoča razvoj novih nanomaterialov, ki imajo popolnoma nove lastnosti ali kombinacijo različnih lastnosti v enem izdelku. Z zdravstvenega in okoljskega vidika, nam nanomateriali predstavljajo tako priložnosti kot tveganja. Na eni strani nam nanotehnologije/nanomateriali omogočajo alternativo potencialno nevarnim kemikalijam, npr. nadomeščanje sredstev za zaviranje gorenja, ali pa lahko z njeno pomočjo razvijemo okolju bolj prijazne metode proizvodnje. Na drugi strani lahko predstavljajo nove nanotehnologije/nanomateriali tveganja za zdravje človeka ter možne negativne okoljske vplive. Ob nadzorovanju in omejevanju le teh se je potrebno zavedati pomanjkanja relevantnih zakonodajnih meril.

Največji dosežki uporabe nanomaterialov najdemo v medicini, biotehnologiji in vedno več tudi na področjih okoljevarstva in alternativnih virov energije. Slovenski znanstveniki razvijajo najsodobnejše nanomateriale. Problem je, da v veliki večini industrija ne sledi tako hitro z uvajanjem najsodobnejših nanomaterialov v svoje proizvode. Kljub temu pa jih najdemo na področju TiO2, magnetnih nanodelcev, pri premazih za les.

S katerimi dosežki in projekti se lahko pohvali Slovenija?
Nanotehnologija bi lahko bila velika priložnost za Slovenijo, a le redke ideje preidejo v industrijo. Razloga sta slabo sodelovanje med znanostjo in gospodarstvom na eni strani ter pomanjkanje denarja na drugi strani.

Nanotehnologija je vseprisotna: v avtomobilski industriji, plovilih, premazih, športnih pripomočkih, letalski in vesoljski tehnologiji, elektroniki, kozmetiki, hrani, pametni embalaži, medicini, čistilih, tekstilijah. Širi se na številna nova področja, ki doslej z razvojem nanotehnologije niso bila povezana. Njena prihodnost je gotovo v energiji, zdravju, hrani, transportu in informatiki, seveda vse z mislijo na varovanje okolja.

Lahko navedete konkretne dosežke v Sloveniji?
Mnoge dosežke slovenskih raziskovalcev iz nanoraziskav bi bilo že mogoče razvijati v smeri nanotehnologije. Kar nekaj jih je – na področjih novih nanomaterialov za različne namene, v kompozitih, pri senzorjih, elektrodah za baterije, potem so tu primesi v sončnih celicah, v elektroniki in še kje. Pri tem je treba ločiti med novimi uporabami materialov, ki so jih odkrili drugi, in tistimi, ki smo jih odkrili sami. Seveda, zadnji so veliko bolj zanimivi kot dosežki, ni pa pričakovati, da bo vse tudi takoj uporabno. Pogosto se izkaže, da uporabnost nepričakovano vzklije šele mnogo pozneje. Imamo tudi nekaj uspehov pri gradnji naprav za nanotehnologijo, na primer naprave LDI podjetja LPKF za izdelavo majhnih vezij v elektroniki. V skupini prof. dr. Mihailovića z Instituta Jožef Stefan imajo tudi nekaj uspehov pri gradnji naprav za nanotehnologijo, na primer naprave LDS podjetja Laser&Elektronika d.o.o. (LPKF) zla izdelavo majhnih tiskanih vezij v elektroniki. Najnovejše je odkritje ultrahitrih spominskih elementov, kjer so demonstrirali optični zapis bita informacije v spominski element v času petdesetih femtosekund, kar je daleč najkrajši čas doslej, torej svetovni rekord.

Kakšne so možnosti aplikacij in komercialne uporabe?
Obseg nanotehnologije v komercialnem smislu raste eksponentno, podobno kot nekatera druga področja visoke tehnologije v preteklosti. Vendar rast ni zelo vidna, ker jo proizvajalci pogosto skrijejo v svoje proizvode, morda zato, da bi se izognili morebitnim negativnim asociacijam ali pa da bi se izognili patentiranju. Ali pa zato, ker so proizvodi majhni. Pravi “bum” šele prihaja. Brez dvoma bo na tem področju zelo hitra rast na različnih področjih industrije – od avtomobilske do kemijske, farmacije in elektronike. Tudi pri oblačilih z novimi tekstili in v beli tehniki je veliko priložnosti. Zavedati se moramo, da do uspeha ni bližnjic. V industriji lahko pričakujemo najboljše rezultate tam, kjer bodo imeli dobro izobražene in motivirane kadre na tem področju, ki bodo znali izkoristiti priložnosti, ki jih znanost ponuja. Brez dobrih idej in trdega dela ne bo uspehov in prosperirali bodo tisti, ki so se tega pripravljeni lotiti.

Vaš inštitu sodeluje z gospodarskimi družbami. Kje se lahko že pohvalijo z uspehi?
V družbi Cetis so naredili nekaj poskusnih odtisov z nanopremazi in nanobarvami, v začetni fazi so testiranja materialov in izdelava prototipov na področju organskih sončnih celic, elektroluminiscentnih, elektrokromnih in organskih svetlečih zaslonov ter senzorjev in indikatorjev. Med drugim poskušajo izdelati najrazličnejše nanostrukture z najsodobnejšimi laserskimi sistemi, integrirati nanoprevleke v proces izdelave tako imenovanih intaglio tiskarskih plošč. V domžalskem Centru za trde prevleke so v zadnjih treh letih naredili približno 400 nanosov “modrih” prevlek, in 12 nanosov nanostrukturne prevleke na osnovi TiAIN (titan-aluminjevega nitrida), TiSin in TiAISin za orodjarje različnih slovenskih podjetij. Prevleke so narejene bodisi za izdelovalce in končne uporabnike orodij, zaščitenih z nanostrukturnimi prevlekami (Emo Orodjarna, Techcenter), bodisi za podjetja, ki taka orodja obnavljajo ali izdelujejo za različne naročnike po Sloveniji (Kovinos, Widner). V Steklarni Hrastnik so vsi projekti s področja nanomaterialov še v razvojni fazi, iščejo pa rešitve za izboljšane lastnosti steklenih izdelkov: povečanje trdnosti, sijaja in obstojnosti (za namizno, embalažno in opalno razsvetljavno steklo). Torej nove izdelke z novimi lastnostmi in višjo dodano vrednostjo, da bodo še bolj kakovostni, proizvodnja pa energetsko in surovinsko še bolj učinkovita in do okolja prijazna. No, to je le nekaj primerov.

Kakšen je vpliv nanomaterialov in nanotehnologij na okolje in zdravje ljudi?
Nanodelcev kot osnovnih gradnikov nanomaterialov ne smemo kar enačiti z nanotehnologijo, saj je nanotehnologija mnogo več. Gre za vedo, ki izrablja posebne lastnosti nanomaterialov, tako tankih plasti kot kvantnih pik, samoorganiziranih struktur in novih bioloških molekulskih gruč. Nanodelci so le del te znanosti in res nam lahko prinesejo mnoge izboljšave v tehniki in medicini, le poznati moramo njihove posebnosti in ne izgubiti razsodnosti v tekmi za lahek dobiček. Kljub hitremu razvoju in tehnološkim inovacijam obstaja še vedno precej nejasnosti okoli vpliva nanodelcev na okolje in zdravje ljudi. Da bi pravilno ocenili zdravstvena in okoljska tveganja nanodelcev, je potrebno poznati in opraviti podrobno analizo celotnega življenjskega cikla teh delcev.

Zakaj?
Ekološka presoja je upravičena, saj nanodelci predstavljajo novo tveganje za okolje. Stroko skrbi, da trenutno ni mogoče natančno napovedati ali kontrolirati ekoloških učinkov namenskega ali nenamenskega vnašanja nanodelcev v okolje. Po drugi strani pa imajo nanodelci v obliki številnih nanotehnoloških orodij velik potencial opozoriti, omejiti ali celo preprečiti škodne vplive na okolje in zdravje ljudi. Takšna orodja so npr. senzorski sistemi za določevanje prisotnosti težkih kovin v okolju ali pa adsorbenti za odstranjevanje težkih kovin iz odpadnih tehnoloških vodah. Z razvojem učinkovitejših sončnih celic in okolju prijaznejših baterij ima nanotehnologija tudi velik potencial pri proizvodnji čistejše energije in podobno.

Za oceno vpliva nanodelcev na okolje in zdravje ljudi je potrebno poznati velikost in obliko nanodelcev, njihovo kemijsko sestavo in kemijsko aktivnost. Oblika nanodelcev je včasih celo pomembnejša od kemijske sestave, saj natančno določa njegovo površino in na tej površini so proste kemijske vezi ali pa električni naboj, ki vpliva na kemijske in fizikalne lastnosti delca ter njihovo reaktivnost. Oblika nanodelca tudi določa njegov aerodinamični premer, kar je pomembno za razumevanje uhajanja nanodelcev v ozračje in tudi za potovanje delcev po zraku ter telesnih tekočinah. Majhni in približno okrogli delci so podvrženi hitremu gibanju v plinu ali tekočini. Lahko prehajajo skozi luknjice filtrov in trkajo med seboj ter z molekulami medija, v katerem se gibljejo. Nanodelci, ki so približno kroglasti se v območju pljuč lažje izognejo celicam makrofagov in ne povzročajo toliko vnetnih procesov kot nitkasti ali igličasti delci, ki so podobno kot azbestna vlakna povzročitelji hudih vnetij in rakastih obolenj. Njihova togost ali gibkost vplivata na to, ali se bodo nitke ali iglice med seboj združile v snope, ki se lahko spet razpršijo, ali pa v kroglaste skupke, v katerih se nitke ukrivijo in se težko spet osvobodijo. Na te procese seveda močno vplivata tudi kemijska sestava delcev in električna nabitost oziroma polarnost delcev. Kemijska sestava nanodelcev je pomembna zlasti s stališča topnosti v vodi in bioloških tekočinah. Z majhnostjo delcev lahko stopnja hidrofilnosti močno naraste in je močno odvisna od ukrivljenosti površine nanodelca. Majhni okrogli nanodelci lahko postanejo povsem neomočljivi in kot takšni povsem netopni v vodi ali bioloških sistemih, torej jih telo težko izloči z razgradnjo, če zaidejo vanj. Povečana kemijska aktivnost majhnih delcev prispeva k njihovemu medsebojnemu združevanju v večje skupke, aglomerate. Kot taki hitro preveč zrastejo, specifične kemijske in fizikalne lastnosti, ki jih odlikujejo pri uporabi kot nanomaterial, pa se pri tem izgubijo. 

Čeprav nanodelci niso novost, jih vendar premalo poznamo, zlasti njihov vpliv na človeka.
Njihov izvor sega v čas skoraj tja do velikega poka, ko je nastalo vesolje, ko so pričeli nastajati posamezni atomi. Izpostavljenost nanodelcem je vsem znana. Dejansko se vsak živi organizem na Zemlji konstantno srečuje z njimi. Velika večina nano delcev, ki vstopajo v naš organizem, povzroča celo blage bolezenske simptome, vendar tega večinoma niti ne opazimo. Občasno pa v naše telo zaidejo tujki, ki lahko povzročijo izrazite spremembe in vplivajo na skrajšanje življenjske dobe. Veliko ljudi misli, da za razliko od virusov, ki so prav tako nano velikosti, nanodelci (tako naravni, kot antropogeni) niso nevarni, saj nimajo sposobnosti razmnoževanja. Kljub temu, da se v telesu ne razmnožujejo ter neposredno ne prevzemajo kontrole nad celičnimi procesi, kot to počno virusi, pa lahko nekateri nanodelci vplivajo na nekatere osnovne celične procese, kot so razmnoževanje, metabolizem (prehranjevanje in dihanje), kar vodi do odmiranja celic. Znano je, da je nekontrolirano celično razmnoževanje povezano s pojavom rakastih in vrste drugih obolenj. Čeprav je na področju nanobiotehnologije prisoten hiter razvoj ter napredek, je še veliko izzivov, s katerimi se je treba soočiti v smeri zmanjšanja potencialnih zdravstvenih in okoljskih tveganj, ki so posledica izpostavljanja nanomaterialom.

V katere raziskave je fokusiran Institut za okoljevarstvo in senzorje?
IOS je raziskovalno razvojna organizacija, ki se ukvarja z izvajanjem meritev, raziskav, izobraževanja in podajanjem znanstvenih ter strokovnih mnenj na področju obnovljivih virov energije, okoljevarstva, senzorjev in naprednih materialov. Strategija podjetja je pridobivanje vedno novih znanj, ki mu sledi povezovanje in prenos v domači in mednarodni gospodarski in raziskovalni prostor. Poslanstvo instituta je, da s pomočjo visoko izobraženega kadra in najsodobneje opremljenih laboratorijev, prenaša visoko zahtevne tehnologije v gospodarsko okolje in gradi nove povezave z inštituti in fakultetami ter industrijo, ki bodo inicirale nove skupne projekte in kandidirale za nepovratna razvojna sredstva.

Na vašem znanstvenem srečanju NANOAPP boste predstavili najnovejše raziskave in odkritja s področja sinteze in aplikacij novih materialov. Katere raziskave bodo v ospredju?
NANOAPP konferenca (www.nanoapp.org) je mednarodno znanstveno srečanje priznanih in uglednih raziskovalcev, znanstvenikov in strokovnjakov na področju nanomaterialov in njihovih aplikacij. Gre za prvo mednarodno konferenco Nanomateriali in aplikacije pod okriljem Inštituta za okoljevarstvo in senzorje IOS d.o.o. ter Fakultete za strojništvo Univerze v Mariboru, kateri predsedujem v okviru mednarodnega organizacijskega komiteja. Pričakujejo se udeleženci iz znanstvene in gospodarske sfere. Znanstvenikom in industriji bo tako ponujen forum za diskusijo in povezovanje. V ta namen bo organizirana tudi okrogla miza, ki jo bo moderiral prof.dr. Nouban  Afeyan iz Harvarda, ki ima številne izkušnje s prenosom zahtevnih tehnologij in izdelkov v industrijo. Teme konference pokrivajo področja sinteze novih nanomaterialov in njihove uporabe v medicini, biotehnologiji, energetiki, okolju, senzoriki in tekstilstvu. Velik poudarek bo na podajanju informacij o vplivu nanomaterialov in nanotehnologij na okolje in zdravje ljudi. Kot predavatelji bodo na konferenci nastopili svetovno priznani znanstveniki.