Nanoteknologi og miljø

Nanoteknologi er et svært bredt fagfelt og i mange tilfeller en form for nytale som dekker gamle fagfelt som fysikk, kjemi og bioteknologi. Grunnen til at man snakker om nano, som egentlig er en størrelsesbetegnelse under mikrometernivå, og noen ganger ned på atomnivå, er at forbedrede mikroskoper og andre verktøy nå tillater at man kan se og lage ting som er et par hakk mindre enn det man gjorde før.

nanopartikler_bredde.jpg

Tekst/foto: Seniorforsker Erik Joner, Bioforsk Jord og Miljø

Vanlige mikroskoper gjør at man kan se ting som er cirka én mikrometer store, for eksempel bakterier. En nanometer er 1000 ganger mindre enn en mikrometer. Men størrelser blir litt vanskelig å forholde seg til når man tar 1000-ganger’n: kilometer til meter til millimeter til mikrometer til nanometer. Hvert trinn er tusen ganger mindre enn det forrige. En bil er 3–4 meter lang. En ting som er tusen ganger mindre, kan være et riskorn. En bakterie er tusen ganger mindre enn et riskorn, og deler vi på tusen igjen, finner vi ting som er et par-tre nanometer store. De fleste nanopartikler er større enn dette, gjerne 10–100 nanometer. Og det er oftest i dette størrelsesområdet man snakker om materialer i nanometerskala.

Nanomaterialer kontra nanopartikler

I forbindelse med miljømessige eller helsemessige farer ved nanoteknologi snakker man om nanomaterialer eller nanopartikler. Nanomaterialer omfatter da alt som involverer nanoteknologi, fra elektroniske brikker der kretsene er gravert med en presisjon på noen titalls nanometer, til membraner og belegg med tykkelse i den nederste delen av nanometerskalaen, til nanoporøse strukturer der hulrommene er i nanometerskala, til partikler som enten er støpt inn i plast, flyter fritt i en væske (som i solkremer og hudkremer) eller finnes som et pulver som kan danne en «støvsky». Det er disse tre siste, altså nanopartiklene, man er mest bekymret for, siden de i noen situasjoner kan bevege seg rundt i vann og luft og dermed påvirke mennesker eller andre organismer.

Giftighet og mobilitet

Risiko er jo fare ganget med eksponering, eller giftighet ganget med mobilitet. Er noe enten ikke giftig eller ikke mobilt, utgjør det ingen risiko. Et hvilket som helst tall ganget med null, blir null. Sånn sett vil karbon-nanorør som er innkapslet i plast, være ufarlige (ikke representere noen risiko) selv om de er giftige i utgangspunktet. Nanopartikler av titandioksid som man finner i nesten alle solkremer og anti-aldringskremer, representerer heller ingen risiko selv om de er mobile (de vaskes av når man bader eller dusjer og havner i vannet der du bader, eller i kloakken), fordi de ikke er giftige. Så om man skal bekymre seg for at nanopartikler utgjør en trussel mot helse eller miljø, må man fokusere på partikler som er giftige og situasjoner der vi mennesker eller andre organismer utsettes for dem på en måte som gjør at de kan påvirke oss. Karbon-nanorør kan være giftige dersom vi puster dem inn (da virker de litt som asbest og kan trolig fremkalle lungekreft). Men karbon-nanorør støpt inn i plast i en sykkelramme eller en golfkølle vil aldri utgjøre noen slik fare.

Grunnen til at man frykter at nanopartikler skal være giftige eller skadelige på andre måter, er dels at de er så små at de kan komme seg gjennom barrierer som ellers ville stoppet større partikler (de kan være mer mobile), men også at man er usikker på om egenskapene nanopartiklene har, og som er forskjellige fra egenskapene til større partikler eller tilsvarende oppløste stoffer, er annerledes også når det gjelder giftighet. For nanomaterialer er forskjellige fra identiske materialer i større skala. Det er derfor man lager dem så små. For titandioksid som man bruker i kremer, er det for eksempel sånn at partikler under cirka 50 nm er gjennomsiktig for synlig lys, selv om det blokkerer UV-stråler. Da får man en krem som ikke ser hvit ut på huden, men som likevel beskytter effektivt mot solbrenthet. Dette er en nano-spesifikk egenskap.

Men ikke alle nanopartikler ser ut til å ha slike spesifikke egenskaper. Nanosølv, som brukes i antibakterielle overflater som sårplaster og kjøleskap, ser ut til å ha omtrent samme egenskaper (giftig for bakterier og vannlevende organismer) enten det er kjemisk oppløst, på nanoform eller i større dimensjoner. At man her bruker nanosølv istedenfor andre former for sølv, henger mer sammen med at sølv er dyrt, og et svært tynt lag i form av nanopartikler er billigere enn et tykkere lag.
Men tilbake til mobilitet. At noe er lite, får oss intuitivt til å tro at det må være mobilt. Fin sand og støv har en tendens til å komme seg inn overalt. Og jo mindre partiklene blir, jo lettere må de vel komme seg inn gjennom små åpninger? Det er heldigvis en sannhet som ikke gjelder når man kommer ned på nanopartikkelnivå. For jo mindre en partikkel blir, jo mer kontaktsøkende blir overflatene. Det er fordi en større andel av atomene sitter på overflaten, og relativt færre sitter inni partikkelen. Og et atom på en overflate vil ikke ha naboer på alle kanter som den kan dele elektroner med. De frie elektronene gir overflateladninger som kan inngå i elektrostatiske bindinger. Så når man sammenlikner mobiliteten til partikler med ulik størrelse, for eksempel ved å prøve å vaske nanopartikler gjennom et sandfilter, så kommer de fineste partiklene ofte ikke gjennom i det hele tatt. De bindes til overflatene på sandkornene og blir sittende.

Effekter på miljøet

For nanoteknologi kom forskning på mulige negative helse- og miljø­effekter i gang da teknologien var i startgropa, i motsetning til andre teknologier der man først ble oppmerksom på slike effekter etter lang tids bruk (DDT, blybensin, freon, osv.). Noen sterke økonomiske interesser var det likevel bak visse anvendelser som ble omfattet (eller nesten) av definisjonen på nanomaterialer. Den mest kjente var L’Oreal, som i mer enn 15 år har prøvd ut nanopartikler av titandioksid som UV-blokker i solkremer, og som i etterkant fikk en slags tilgivelse for å ha brukt oss alle som prøvekaniner før uavhengig forskning kunne vise at partiklene de brukte, verken var skadelig for helse eller miljø. Nanopartikler av metallet sink fantes også i solkremer, men ble forbudt i EU for noen år siden.

Litt annerledes har det gått med hvitevareprodusenter som brukte nanosølv i vaskemaskiner. Disse fikk så mye pepper at produktene ble trukket tilbake i mange land. Her slapp relativt store mengder sølv ut i vaskevannet, og da sølv først og fremst er giftig for vannlevende organismer, ble dette en direkte og uønsket strøm av gift ut i miljøet. At sokker og annet sportstøy med nanosølv også avgir tilsvarende mengder sølv til vaskevann, har ikke fått de samme konsekvensene for salg og markedsføring. Til det er disse produsentene for små, for opportunistiske og dessuten uten noen dyr og risikofølsom teknologisk basis. Så de har fortsatt produkter på markedet som slipper gjennom maskene i regelverkene. For kjøleskap der nanosølv benyttes i antibakterielle overflater, er spredningen til miljøet liten, og produsentene omgikk det kritiske søkelyset ved å kalle nanosølv for «naturlig sølv», «antibakteriell behandling» eller tilsvarende. Nanosølv og andre former for sølv er lite giftige for mennesker, så det er kun miljøet som eventuelt vil lide av en utstrakt bruk av nanosølv i forbrukerprodukter. Andre og potensielt alvorlige miljøkonsekvenser er i liten grad dokumentert, men forskning på dette pågår fortsatt. Redningen for miljøet ser ut til å være at størrelsen på nanopartiklene gjør at mengdene blir små og prisen relativt høy, slik at utslippene er lave. I hvert fall foreløpig. Dessuten går utviklingen av nanoteknologien mot mer avanserte anvendelser i kontrollerte former, og få anvendelser av store volumer som kommer i kontakt med mennesker eller miljø.

Nanosøppel

Når man produserer kostbare nanomaterialer, er det i noen tilfeller slik at en stor del av materialet ender opp som søppel allerede før man har et brukbart materiale. Det er for eksempel tilfellet med produksjon av karbon-nanorør der så mye som 99 % kan ende opp som en form for nanosøppel, som kan ha flere av de samme egenskapene som materialet man ønsker å lage. Da er det jo ikke hva som skjer med nanorørene som er kritisk for miljøet, men hva man gjør med biproduktene. Seriøse produsenter ser ut til å ta hånd om det på forsvarlig vis, men dette setter fingeren på et ledd som får lite oppmerksomhet, nemlig avfallet. For produkter som inneholder nanomaterialer, finnes det få eller ingen muligheter for gjenvinning eller behandling som en spesifikk avfallskategori. Dels er dette ikke mulig fordi nanomaterialene utgjør så liten andel av de aktuelle produktene, men konsekvensen er at store og kostbare ressurser går tapt. Flere av grunnstoffene som inngår i nanoteknologiske produkter, forbrukes nå i så store mengder at reservene er i ferd med å uttømmes. Det er tilfellet med sølv der man antar at alle kjente ressurser er uttømt om 30 år. Flere av de sjeldne jord-metallene (for eksempel indium eller rhodium) vil være uttømt før dette. Da må man spørre seg om det er en god idé å bruke for eksempel sølv til å drepe bakterier i sokker, kjøleskap og svømmebasseng, når kommende generasjoner kanskje kunne trenge det til viktigere ting. Å prøve å gjenvinne sølv eller andre verdifulle metaller fra avfall der det finnes i konsentrasjoner på noen mikrogram per kilo, er både teknisk og økonomisk umulig. Men det er en fortynning og en spredning til slike konsentrasjoner det er snakk om.

Mer enn partikler

Men nanoteknologi handler om mye mer enn partikler. Mens vi som forsker på mulige miljøfarer ved nanoteknologi, fortsatt studerer de samme 10–20 typene førstegenerasjons nanopartikler som vi begynte med for ti år siden, endrer dette teknologiområdet seg raskt og utvikler alt fra medisinske anvendelser for både diagnose, vevserstatninger og genterapi, til forbedret katalysatorteknologi og elektroniske kretser basert på atomers iboende polaritet (spintronics). Andregenerasjons nanomaterialer handler blant annet om materialer som dels består av uorganiske nanopartikler bundet til proteiner eller antistoffer som for eksempel gjør det mulig å transportere terapeutiske stoffer til skadet vev (for eksempel kreftsvulster). Disse er heldigvis for kostbare til å lages i store mengder, så risi­koen for at de slipper ut og skaper uønskede helse- eller miljøproblemer er små.

Snille nanopartikler

I motsatt retning finnes det også anvendelser der man har laget nanopartikler som man med hensikt vil spre i store mengder i miljøet, og der man gjør så godt man kan for å få partiklene mest mulig mobile og mest mulig reaktive; de to egenskapene man frykter mest med hensyn til helse- og miljørisiko. Det dreier seg om nanopartikler av metallisk jern. Disse er ment å injiseres i forurenset undergrunnsjord for å bryte ned klor-organiske miljøgifter som PCB og PCE (polyklorerte bifenyler og polyklorert etylen). Når disse partiklene pumpes ned i bakken, vil de langsomt oksideres og bli til jernoksider (som er ufarlige og svært vanlige i jord). Energien som frigis under denne oksidasjonen, fører til at kloratomene spaltes av fra de giftige klor-organiske molekylene, og når de er borte, sitter man kun igjen med ufarlige metabolitter. Problemet er at partiklene ikke vil spre seg særlig langt fra injeksjonshullet. Men det er jo en god ting for meitemark og fisk som holder til i nærheten, og nok et eksempel på at ikke alt som er smått, kommer seg inn overalt.

SI-systemet
Verdi Navn Symbol
1015 peta P
1012 tera T
109 giga G
106 mega M
103 kilo K
102 hekto H
101 deka DA
10-1 desi D
10-2 centi C
10-3 milli M
10-6 mikro   μ
10-9 nano N
10-12 pico P
10-15 femto F

SI-systemet (Système International d'Unités) er fremkommet som en utvikling av metersystemet til et koherent enhetssystem, dvs. et system der alle andre enheter kan avledes av noen få grunnenheter.


Sist oppdatert 13/05/2015