Nanotechnologie využívající nanomateriály

Část I.

Část I.

Chemické látky jsou nedílnou součástí života. Vývoj nových chemických látek a nové aplikace již existujících chemických látek hrály zásadní roli v utváření moderní společnosti, neboť obvykle doprovázely či dokonce umožnily pokrok v nejrůznějších odvětvích lidské činnosti.

Abychom zabránili negativním zdravotním dopadům používání chemických látek, jsou stanovovány limitní hodnoty expozice na základě zhodnocení toxicity dané látky.

Klasické přístupy hodnocení toxicity látek na experimentálních zvířatech vykazují řadu nedostatků, které mohou vést k podhodnocení nebo naopak nadhodnocení rizika. Tyto nedostatky spolu s finanční a časovou náročností in vivo experimentů mohou významně limitovat potenciál nových technologií.

Příkladem intenzivně se rozvíjejících nových technologií jsou nanotechnologie využívající nanomateriály (NMs). NMs představují materiály extrémně malých rozměrů, které vykazují unikátní vlastnosti. Jejich využití vede k rozvoji řady oborů, například elektroniky, materiálových věd, energetiky, medicíny nebo dopravy. Aplikace NMs v těchto a dalších odvětvích mohou významně zlepšit kvalitu života a také přispět k řešení zásadních problémů, kterým čelí lidská společnost. Intenzivně jsou zkoumány aplikace NMs například v oblasti léčby rakoviny, nových přístupů k získávání zdravotně nezávadné pitné vody či získávání a uchovávání obnovitelných zdrojů energie.

Práce se zaměřuje na problematiku hodnocení toxicity NMs, čímž doplňuje výzkumné aktivity Fakulty bezpečnostního inženýrství Vysoké školy báňské -Technické univerzity Ostrava v oblasti managementu rizik NMs. Cílem práce bylo zpracování metodiky managementu bezpečnosti s ohledem na nanočástice v pracovním a životním prostředí, včetně návrhu screeningového testu nebezpečných vlastností zvoleného typu (např. imunologické odpovědi).

Management rizik chemických látek

Každá chemická látka, ať už přírodní nebo uměle připravená, je potenciálně toxická. O tom, zda se toxicita projeví, rozhoduje především míra, jakou je organismus dané látce vystaven. Kombinace závažnosti důsledků (nebezpečnosti) a pravděpodobnosti jejich výskytu (expozice) pak udává riziko. Z tohoto principu vychází základní koncept hodnocení rizik chemických látek, který byl poprvé formalizován americkou Národní výzkumnou radou (National Research Council, NRC) (NRC 1983). Na čtyřstupňový proces hodnocení rizik navazují další kroky, tvořící jako celek management rizik chemických látek (viz obrázek 1). Management rizik chemických látek je tedy logický systematický proces skládající se z několika na sebe navazujících kroků, jehož cílem je snížení rizika na akceptovatelnou úroveň.

Obrázek 1: Základní koncept hodnocení rizik chemických látek dle NRC (NRC 1983)

Nanomateriály a nanotechnologie

Jedněmi z aktuálně nejintenzivněji se rozvíjejících vědeckých a technických oborů jsou nanotechnologie. Počátky nanotechnologií jsou spojeny s rozvojem metod elektronového mikroskopování a rentgenové difrakce, které umožnily objasnění struktury materiálů na úrovni atomů a molekul, pochopení jejího vlivu na vlastnosti materiálů a cílenou manipulací tuto strukturu měnit, a vytvářet tak nové materiály – nanomateriály (NMs) s unikátními vlastnostmi (Maynard et al. 2011). NMs představují velmi diversifikovanou skupinu materiálů, jejichž společnými rysy jsou extrémně malé rozměry (v řádu jednotek až stovek nm) a vlastnosti na tyto rozměry vázané.

Obecně je v současnosti ve vědeckých i legislativních kruzích akceptován názor, že jako NMs označujeme látky, které mají alespoň 1 rozměr menší než 100 nm. Univerzální definice pojmu nanomateriál zatím neexistuje a vzhledem ke složitosti celé problematiky se objevují názory, že ani v budoucnu nebude vytvořena všeobecně platná a použitelná definice. V současnosti je přijímána definice uvedená v Doporučení Evropské komise (2011/696/EU). Nanomateriál je zde definován jako „přírodní materiál, materiál vzniklý jako vedlejší produkt nebo materiál vyrobený obsahující částice v nesloučeném stavu nebo jako agregát či aglomerát, ve kterém je u 50 % nebo více částic ve velikostním rozdělení jeden nebo více vnějších rozměrů v rozmezí velikosti 1-100 nm“. Také fullereny, grafenové vločky a jednostěnné uhlíkové nanotrubice jsou zahrnuty pod NMs, přestože jejich rozměry mohou být menší než 1 nm. Ve zvláštních případech a opravňují-li k tomu obavy týkající se životního prostředí, zdraví a bezpečnosti nebo konkurenceschopnosti, může být hranice 50 % ve velikostním rozdělení nahrazena hranicí 1-50 %. Tato definice by měla být podkladem pro rozhodování, zda lze určitý materiál považovat za „nanomateriál“ pro účely právních předpisů a politik v EU. Vědecký výbor pro vznikající a nově zjištěná zdravotní rizika (SCENIHR, Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks) ve svém Stanovisku, na jehož základě byla výše uvedená definice přijata, uvádí, že horní hranice 100 nm je běžně používána na základě všeobecné shody, přestože neexistují žádné vědecké důkazy, které by potvrdily náležitost této hodnoty (SCENIHR 2010).

Uvedená definice je založena na velikosti. Právě velikost patří k nejdůležitějším vlastnostem NMs, neboť v různé míře ovlivňuje jejich další charakteristiky a chování. Při určité „nanovelikosti“, která je specifická pro každý materiál, se chování hmoty začíná měnit. S klesajícími rozměry částic narůstá jejich povrch. V důsledku velkého poměru povrchu vzhledem k objemu charakteristického pro NMs se většina jejich molekul a atomů nachází na povrchu, nikoli uvnitř, jako je tomu v případě „klasických“ materiálů. Chování těchto povrchových molekul je odlišné a vede např. k nárůstu reaktivity. NMs s rozměry pod 20-30 nm jsou v důsledku nadbytku povrchové energie termodynamicky nestálé. Povrchová energie je zanedbatelná u makroskopických objektů, ale u NMs nabývá na významu. Při zmenšení velikosti částic z 1 cm na 1 nm, povrch a povrchová energie naroste o 7 řádů. Snaha o stabilizaci vede ke krystalografickým změnám (například k deformaci krystalové mřížky, ke změně uspořádání povrchových atomů apod.). Při extrémně malých rozměrech NMs navíc přestávají platit zákony klasické fyziky a začíná se uplatňovat kvantová povaha hmoty, která má za následek změnu vlastností nanorozměrných materiálů při stejném chemickém složení jako mají klasické materiály (Auffan et al. 2009). Dle současných poznatků není možné odvodit chování NMs na základě znalosti chování materiálů stejného chemického složení v jejich „ne-nano“ formě (Renn et al. 2006). Základní rozdíly mezi NMs a klasickými chemickými látkami jsou uvedeny v Tabulce 1.

Tabulka 1: Srovnání vlastností NMs a klasických chemických látek

Příkladem unikátních vlastností nebo extrémních hodnot klasických vlastností u NMs je supraparamagnetismus u nano-Fe₂O₃, fotoluminiscence a fluorescence u kvantových a uhlíkových teček, změna barvy v závislosti na velikosti a tvaru nano-Au, extrémní elasticita, pevnost v tahu a tvrdost u grafenu, reaktivita inertních materiálů (nano-TiO2), lepší elektrická vodivost (zvýšený přenos elektronů), fotokatalytické vlastnosti (nano-TiO2), změny teploty bodu tání aj.