Close-up of daphnia or small zooplankton

微小的变化,大影响

纳米粒子作为越来越普遍增长,探讨如何发挥丽贝卡Klaper作用的关键,防止他们危害我们的淡水生态系统

在密歇根湖,一个淡水是世界上最大的来源岸边,丽贝卡Klaper忙浇有史以来人类变成坦克最微小的材料具有一些含大湖食物网的成员中最小的容器。

Klaper是在淡水科学UWM教授的学校,并在该中心可持续纳米技术的研究人员,在全国各地的科学家的国家科学基金会资助的合作。和纳米材料 - 哪些她的涌入称为微小的浮游动物水蚤的坦克 - 几乎别提小。

一纳米是一米的十亿分之一。这是你的指甲生长在一秒,或大于一张纸,或任何数量的其它不可能听起来比较的边缘小十万倍的长度。有资格作为纳米颗粒,有一个设备和100纳米之间进行测量。看不见的裸眼忘记 - 纳米颗粒用电子显微镜才可见。

但不要让大小欺骗你他们。纳米材料是一个大问题,目前使用在世界各地的所有帮助,一切从建造更好的电池来提高抗癌治疗脚臭。他们Also're不断脱落到我们的环境,我们的淡水系统,包括,就像纳米粒子增强型真像防晒霜洗掉游泳运动员最终在密歇根湖。

问题是,没有人是相当肯定,当微人类工业这些更比微观位-的那里会发生什么。并且在得到Klaper的研究的心脏。她希望与淡水生物了解如何纳米材料相互作用的基础科学。如果这些相互作用证明是有害的,她想了解为什么它是如何发生的,这样更安全,更好的纳米材料可制作更换有问题的人。

“我的研究的一部分,是从基本发生在大湖预防性的东西,” Klaper,谁的UWM也大湖基因组学中心主任。 “我们正在努力建立一个技术,它是有利于环境的安全,但在同一时间。”

使事情变得更安全

Klaper没有确定研究的纳米技术。是她在生态学博士从乔治亚大学,在那里她合作,了解植物的天然化学物质如何与之进行互动昆虫种群。但在2001年,她搬到了华盛顿,担任两年在环保局环境科学与技术政策研究员。

在奖学金,作为Klaper探索化学物质如何改变基因表达和生物体的DNA,她遇到了研究者的东西,甚至更小的工作 - 纳米材料。这时候,她开始意识到工作的动力与人造材料。不同于自然产生的化学物质,人造材料和工程可调节,导致对环境和人体健康都可能更好的结果。

Klaper在她的UWM实验室。 (UWM相片/皮特Amland)

专注于纳米材料一直问她“一样的题型,” Klaper说,“只需不同的结果。”此外,它就把她做的科学家在纳米材料的环境生态研究的最前沿。她于2003年来到淡水科学学院后,纳米材料的影响,焦点变成了她的研究。

现在,Klaper正在探索的本质上构建安全的化学物质的概念。如果科学家能够更好地了解纳米材料的结构,化学和影响力,他们可以继续寻找他们在工业,医药和农业用途。但除此之外,科学家可以确保同时,不可避免地结束了在外面达到预定可使用纳米材料,他们做伤害最少。

在解释ESTA意向,Klaper暗指一个警世故事关于十一受欢迎的材料。

在19世纪下半叶,工业化世界爱上了一组自然发生的硅酸盐矿物众所周知的薄,纤维状晶体。矿物开采在美国,加拿大,意大利和南非起飞,作为耐热物质的权力导致涂料和保温用途广泛,特别是在建筑行业。

这里只有一个问题 - 石棉最终呈现的倾向会导致癌症和杀死人。

它原来是什么,我们都看不到会伤害我们。微小的,锋利的晶体,容易成为空气中的采矿和制造过程中。由20世纪初,研究连接接触开始到肺部的石棉疤痕和,在最坏的情况下,死亡。作为健康风险石棉的出名,国家的管理,而且在许多情况下,禁止其使用。

为了避免这一切,Klaper说重演的愿望,驱使她的工作与中心作可持续纳米技术。

“其中一个令人兴奋的事情关于我们的倡议,”她说,“是联邦政府决定的政府作出的研究投资的环境健康和安全的纳米材料随着投资于技术的发展。”这是一个积极的态度,开发新的技术,从业务照常故事很多过去的技术完全不同。

Klaper所以希望帮忙写一个新的故事 - 一个积极合作,以确定身份关于一项新技术的危险,然后用知识来构建更无害的材料。

对她来说,这意味着,在设计实验接近于什么现实生活中的相互作用和水生生物纳米材料之间很可能是。

Eight graphics of products that include nanomaterials, including toothpaste and cheese.
这些只是一些产品和技术在纳米材料哪种使用。他们的背后夹杂物的范围而言,从创建于粉状甜甜圈更好的涂层,以阻止在运动袜细菌生长对提高下一代电池的效率。

越来越关注

自从科学家首次解锁的非常微小的事情的巨大潜力在80年代初,纳米技术已经突飞猛进。在过去十年左右的时间,在纳米材料的产品还冒出了全世界。

一些应用程序不完全解决紧迫的庄严的需求。例如,二氧化钛的纳米颗粒有时加入到即上粉状甜甜圈洒给他们一个致密的,雪白涂层的糖。许多品牌运动袜含有合成纱线嵌入纳米银随着劝阻菌引起的脚臭那生长。

但其他纳米材料有力地影响人类健康的潜力。二氧化钛和氧化锌纳米材料增加防晒剂的有效性。和金纳米粒子表现出令人鼓舞的迹象作为癌症靶向工具。它们可以被注射到血液中,在那里他们对癌细胞生长并开展肿瘤开始内部储存。当“纳米金”,然后与光波命中从红外光谱的边缘,它加热和杀死癌细胞。

和绿色技术前,从像钴复合纳米材料的金属氧化物衍生或锰在下一代电池和能量存储装置提供的重要进展。这样的应用使得持有可再生能源和电动汽车的效率更高,这可能推动它们被广泛使用的承诺。

这些金属氧化物,但是是高活性和毒性已知在他们的形式,这给一些人暂停大。这是真理的科学家根本不知道很多我们将纳米材料到制造都目前还。

是的,你可以理解为什么人们会穿纳米材料增强袜子打他们的脚气味。但这些纳米粒子的大量洗出并通过在洗衣过程中的废水处理工艺,令人担忧关于ESTA抗菌材料将如何影响淡水生物。

这就是为什么,早在Klaper的实验室,她介绍了纳米材料的一个微不足道的金额为水蚤浮游动物的水族馆。水蚤是微小的,自由浮动的甲壳类动物作为基础,对许多水生食物链。小鱼吃小鱼。水蚤吃大鱼。吃藻类和水蚤,事实证明,纳米材料。

在曝光的化学安全水平的传统研究,在实验室生物给出的一定剂量的潜在有毒物质,并且量增加明显的影响出现,直到,如畸形或死亡。但是,Klaper说,那些“剂量“EM和杀了他们”提供的只是实验的最有毒的化合物的信息。 “我们现在更关心现实的情况是环境,”她说。 “在生物极低曝光过的很长一段时间的结果会发生什么变化呢?”

对于Klaper的实验室,这个“一段长时间”往往只有一个月左右 - 但它是水蚤一辈子。 “我们的目标是从发展看,一路过关斩将繁殖,有时我们甚至按照他们的后代繁殖,看看是否有任何多代的影响,” Klaper说。

A picture of a lakeshore
这是个好消息很多纳米颗粒,由天然尤其是那些衍生的材料,似乎是无害的生物体。 Klaper的最终目标是帮助确保任何类型的纳米材料时,其认定的方式进入湖泊和环境,它不会对生态系统的影响。 (照片由赛斯Amland的)

时间会证明一切

这Klaper已经发现,大多数生物的研究,她最终在他们的身体纳米材料,通过摄入他们或任吸收他们通过鳃组织。通常情况下,有从曝光的纳米粒子没有直接影响,但对动物的内部运作的微小变化可能随着时间的推移会导致很大的反响。

例如,在以往的研究,Klaper已经证明在水蚤与压力有关的基因表达的改变暴露于二氧化钛。其他时间,纳米材料水蚤动作和行为改变,其中,在野外,将使他们能够捕食和繁殖的下降更敏感。

摇蚊,红蚯蚓或者,是另一个例子。这些小的,水生无脊椎动物生活在湖泊沉积物游泳表面最终在那里之前,很像毛毛虫到蝴蝶而成,他们脱颖而出,成为蠓的群。飞虫服务于一个目的超越恼人前往沙滩,但是。蠓是很重要的鱼在水中的食物网,鸟靠近岸边。

“纳米材料可影响蚊者的出现,” Klaper说。 “他们可能会导致它们更小或改变能够产生它们的蛋的数量,甚至他们的生存和从水中冒出的能力。”

但是,Klaper很快就注意到,危害生物不是唯一的,也不即使是最常见的可能,故事。回应以不同的方式对不同的纳米材料,这让Klaper的实验室随着理解为什么工作不同的生物体。

目前,虽然它们是由多于答案包围,Klaper说,“好消息是,有相当多的纳米粒子如果我们没有发现很多的毒性。不是所有的粒子都是一样的。“许多纳米材料是由天然材料衍生,他们似乎是无害的生物体。

科学家在行业工作中发现的新粒子,令人兴奋的,Klaper和她的同事与他们合作,以确保颗粒也有设计考虑到了环境。如果我们不知道是什么伤害了美国有可能,有什么Klaper和她的同事们可以用所学,使我们更安全。

例如,科学家随着中心可持续纳米技术已经改变的化学结构和在电池中使用的一些金属氧化物纳米颗粒的物理性质,以及他们正在调整递送另外金纳米颗粒的方法使这些毒性较小的纳米材料。

这些虽小,但有希望的步骤,Klaper说,从今走向指导纳米技术的发展的最终目标。

“我们希望,这样创造的材料,如果他们被释放,他们根本不会产生影响,”她说。 “他们只是坐在那里 - 设计是安全的。”