Nanozinātne un nanotehnoloģijas.

 

 
Nanozinātne un nanotehnoloģijas ir jauns pētījumu un eksperimentālu izstrādņu virziens, kas pēta parādības un darbības ar materiāliem atomu un molekulu līmenī.  Nano apzīmē skaitļa miljardo daļu (10-9).
 
Ar nanotehnoloģijām materiālu, struktūru un ierīču kontrolēta ražošana tiek veikta molekulārā līmenī, kuru izmēru skala ir 1 – 100 nanometri (nm). Salīdzināšanai – cilvēka mata diametrs ir 80 000 nm. Pie šādas izmēru skalas materiālu fizikālās, ķīmiskās un bioloģiskās īpašības tiek ietekmētas un materiāli sāk izrādīt atšķirīgas īpašības. Tātad nanometru skala ir unikāla, jo dod iespēju mainīt materiālu pamatīpašības, nemainot to ķīmisko sastāvu.
 
Nanotehnoloģijas sasaista kopā ļoti atšķirīgas zinātnes nozares: fiziku, ķīmiju, ģenētiku, informācijas un sakaru tehnoloģiju, uztveres zinātnes un citas, izveidojot tā saukto „nano-bio-info-izziņas” konverģenci jeb saplūšanu.
 
Nanotehnoloģiju pielietošana atļauj zinātniekiem analizēt un kontrolēt konkrētu vielu vienlaicīgi uz vairākām garuma skalām. No vides un veselības aizsardzības viedokļa ir atbalstāma tā saukto nanotehnoloģiju  bottom-up metode (tas ir, uzsākt izpēti un ražošanu no atomu un molekulu līmeņa), līdz ar to samazinot iespējamo atkritumu daudzumu un realizējot ilgtspējīgas attīstības mērķus.
 
Eiropas Savienības (ES) Komisija savā 2004. gada 12. maija paziņojumā „Pretim Eiropas statēģijai par nanotehnoloģiju attīstību” (Towards a European Strategy for Nanotechnology”) noteica mērķi – nostiprināt ES vadošo lomu eksperimentālajās izstrādnēs un jauninājumos, kas saistīti ar nanozinātni un nanotehnoloģiju, tajā pašā laikā, risinot arī visas ar vides aizsardzību, veselības aizsardzību, drošību un sabiedrību saistītās problēmas. 
 
Paredzēts, ka arvien plašāka nanotehnoloģiju ieviešana ES radīs dzīves kvalitātes uzlabojumus, jo nanotehnoloģiju jau pašlaik izmanto un izmantos arvien plašāk nākotnē - elektronikā, sakaru tehnoloģijās, veselības aprūpē, farmācijā, vides kvalitātes uzlabošanā, enerģijas saglabāšanā un iegūšanā, lauksaimniecībā, pārtikas tehnoloģijā, kā arī ķīmijā,  tekstilmateriālu virsmas apstrādē, kosmētikā un citur, piemēram, materiālu zinātnēs (īpaši izturīgi keramikas materiāli), kosmētikā (ādas kopšanas līdzekļi, kas satur nanoliposomas, jauna veida aizsardzības līdzekļi pret saules iedarbību), ķīmijā (pēc speciāla pasūtījuma izgatavoti katalizatori, krāsas, lakas un citi virsmas pārklājumi), mājsaimniecībā (speciāli izgatavoti logu tīrīšanas līdzekļi), biomedicīnā (biosensori, implanti, jaunas paaudzes audu un biomimētiskie materiāli, speciālas ierīces medikamentu mērķtiecīgai ievadīšanai u.c.), enerģijas saglabāšanā un uzkrāšanā (solārās šūnas, tā sauktās solārās krāsas, baterijas, degvielu katalizatori), pārtikas ražošanā (necaurlaidīgas membrānas, antibakteriāli pulveri un citi), vides aizsardzībā (piesārņojumu neitralizēšanai – filtri, pulveri un citi), informāciju tehnoloģijā (datu uzglabāšanas vide ar ļoti augstu reģistrācijas blīvumu un jaunas plastiskas displeju tehnoloģijas) .
 
Nanotehnoloģiju radītie produkti netiek uzskatīti kā kaitīgi cilvēka veselībai un videi, tomēr pastāv šaubas par dažu nanodaļiņu, nanolodīšu, nanocaurulīšu un nanošķiedru nelabvēlīgu ietekmi uz sabiedrības veselību: darbinieku veselību un drošību darba vidē un patērētāju drošību un veselību. Mainoties zināmu ķīmisku vielu īpašībām, trūkst toksikoloģisko un ekotoksikoloģisko pētījumu dati. Šajā gadījumā iedarbības uz veselību efektus nevar noteikt ņemot vērā vielas makroskopiskos izmērus, tās ir jānovērtē kā jaunas vielas.
 
Eiropas Komisija un Padome, uzsverot drošības nozīmīgumu un atbildīgo pieeju, kā arī pievēršot īpašu uzmanību vispārējiem  sociāliem, vides un veselības apsvērumiem, iesaka uz zinātni balstītu nanoproduktu riska novērtēšanu veikt  visos tehnoloģiju aprites cikla posmos – sākot ar projektēšanu, ražošanu, izplatīšanu, lietošanu un pārstrādi, tas ir, visā nanoproduktu  dzīves cikla laikā. Īpaša uzmanība  jāpievērš produktiem, kas jau ir ES tirgū vai kurus tūdaļ laidīs tirgū – mājsaimniecības produktiem, kosmētikai, pesticīdiem, materiāliem, kuri paredzēti saskarei ar pārtiku, medicīnas precēm un ierīcēm. 
 
Apsverot potenciālos kaitīgos veselības riskus saistībā ar nanotehnoloģijām, ir jāidentificē divi nanostruktūru veidi :
 
  1. ja pati struktūra ir brīva nanodaļiņa
  2. ja nanostruktūra ir liela objekta sastāvdaļa.
 
Tieši saistībā ar brīvajām nanodaļiņām var rasties zināms cilvēka veselības un vides apdraudējums nanodaļiņu  raksturīgo īpašību dēļ – ir lielāka aktīvā virma uz masas vienību, lielāka mobilitāte un iekšējā enerģija. Palielinās iespējamie vielas kaitīgie efekti. Turklāt radot šādas jaunas daļiņas, materiālus un ierīces, ir ierobežoti zinātniski pierādījumi par potenciālo kaitīgumu, kas varētu radīt risku cilvēkam.
 
Brīvās nanodaļiņas var būt speciāli izstrādātas pielietošanai rūpniecībā vai sadzīvē saistībā ar to unikālajām īpašībām vai arī tās var izdalīties neparedzēti no rūpniecībai vai mājsaimniecībai ražotajiem nanoproduktiem. Tāpēc arī ir iespējami atšķirīgi iedarbības mehānismi.
 
Nanodaļiņu raksturojums un iespējamie iedarbības ceļi
 
Dabīgas izcelsmes nanodaļiņas, kā arī tās daļiņas, kas izdalās neparedzēti cilvēka darbības rezultātā, iedarbojas uz cilvēku visā tā dzīves laikā un galvenais iedarbības ceļš ir ieelpojot. Taču pieaugot speciāli ražotajām nanodaļiņām – palielinoties to pielietojumam plaša patēriņa produktos, piemēram kosmētikā, farmaceitiskajos preparātos, pārtikas iepakojumā, nozīmīgi var kļūt arī citi daļiņu iedarbības veidi uz cilvēka organismu – caur gremošanas traktu vai arī caur ādu. 
 
Nanodaļiņas gaisā – nanodaļiņu skaits gaisā ir līdzīgs gan pilsētās, gan laukos – vairāk kā 106 līdz 108 nanodaļiņas 1 litrā gaisa.
 
Lauku apvidos nanodaļiņas rodas, oksidējot gaistošos savienojumus – gan biogēnas, gan antropogēnas izcelsmes un veidojot tā saucamos sekundāros organiskos aerosolus.
 
Pilsētās – primārais daļiņu avots ir izplūdes gāzes, kas rodas  darbojoties dīzeļmotoriem vai automašīnu motoriem ar  bojātiem katalītiskajiem pārveidotājiem. Izplūdes aerosolu koncentrācijas ir robežās starp 104 līdz 106 daļiņām 1 cm3 gaisa ar lielāko daļu daļiņu izmēru mazāku par 50 nm diametrā. Arī sadegšanas procesi veicina nanodaļiņu piesārņojumu – atkarībā no dažādiem koksnes sadedzināšanas sistēmu veidiem, rodas dažādi daļiņu izmēri  no 30 līdz 300 nm, pie tam daļiņas ar izmēru lielāku par 300 nm netiek pieskaitītas kopējam daļiņu skaitam dūmvadu gāzēs.
 
Nanodaļiņas darba vidē – parasti nanodaļiņu iedarbība darba vidē nav iespējama ražošanas procesa laikā, vienīgi kļūdu vai avāriju gadījumos. Nanodaļiņām ir raksturīga pastiprināta izplūšana un palēnināta sedimentācija, tas nozīmē, ka piesārņojums saglabājas ilgāk pat pie zemākas koncentrācijas. Daudzām daļiņām ir  raksturīgas sprādzienbīstamas īpašības.
 
Nanodaliņas patērētāju produktos – nanodaļiņas tiek izmantotas pret skrāpējumu drošās acenēs, pret plaisāšanu izturīgās krāsās, sienu pārklājumos, kas izturīgi pret grafītiem, caurspīdīgajos saules aizsargos, audumos, kas neuzņem traipus, pašattīrošos logu stiklos, keramikas pārklājumos u.c.  Nanodaļiņas izmanto arī pārtikas produktu iepakojumos – tās darbojas kā pret mikrobu aģenti, nodrošina siltuma vai aukstuma aizturi, kā arī var atklāt ķīmiskās un bioloģiskās pārmaiņas pārtikas produktos.
 
Nanodaļiņas rada stingrākas, gaišākas un tīrākas virsmas un sistēmas. Tā, piemēram, titāna oksīda nanodaļiņas izmanto aizsargos pret sauli, antimona – alvas oksīda pārklājumi nodrošina aizsardzību pret skrāpējumu un arī aizsardzību pret ultravioleto starojumu. Nanodaļiņas riepās uzlabo to saskari ar ceļa virsmu un samazina bremzēšanas ceļu. Plāns un caurspīdīgs sudraba slānis uz stikla aiztur siltumu, darbojas pret loga aizsalšanu un netīrumu nogulsnēšanos.
 
Cilvēki visbiežāk var šādas daļiņas ieelpot ar gaisu (kosmētikas līdzekļi, zāļu preparāti u.c.). Taču nevar izslēgt arī citus iedarbības ceļus: caur gremošanas traktu vai caur ādu. Ir ļoti maz publicētu datu par nanodaļiņu bioloģisko uzvedību, tai skaitā izplatību, uzkrāšanos, metabolismu un specifisko toksiskumu pret dažādiem cilvēka orgāniem. Ir eksperimentālo pētījumu dati par nanodaļiņu iedarbību uz elpošanas orgānu sistēmu – tās izraisa lielākus toksiskos efektus, nekā tās pašas vielas lielāka izmēra daļiņas, jo ir iespējama nanodaļiņu mijiedarbība ar DNS, RNS vai proteīniem. Lai arī pārvietošanas ceļi organismā vēl nav pilnībā skaidri, tomēr savu mazo izmēru un lielā kustīguma dēļ, tās iespējams var sasniegt arī citus orgānus, tai skaitā asinis, smadzenes un citus.
 
ASV pētījumu dati liecina, ka vairāk kā 2 miljoni darbinieku darba vidē tiek pakļauti nanodaļiņu iedarbībai un šis skaits noteikti palielināsies, nanotehnoloģijām ieviešoties arvien plašāk. Pašlaik pētījumu praktiski šajā jomā nav – informācijai par nanodaļiņu iedarbības efektiem tiek izmantoti pētījumi ļoti smalko cieto daļiņu jomā. Tā sauktās ultrasmalkās daļiņas (emisijas no katlu mājām, sadedzināšanas krāsnīm, cementa ražotnēm, dīzeļmotoru izplūdes gāzēm) bojā tieši plaušu audus – radot iekaisumus, fibrozi, veicinot astmu, elpošanas traucējumus un pat Alcheimera slimību.
 
Pētījumi rāda: jo mazāks daļiņas izmērs, jo spēcīgāka plaušu audu reakcija, daļiņu virsmas reaktivitāte var būt kaitīga apkārtējiem audiem ar savu ķīmisko aktivitāti.  Nanodaļiņas var ieiet plaušu alveolās – fagocīti tās absorbē, un nanodaļiņas uzkrājas un netiek izdalītas. Alveolu elpošanas procesa rezultātā nanodaļiņas var nonākt asins straumē un absorbēties asins šūnās. Nanodaļiņu piesārņojums iespējams var izplatīties ar ūdeni. Ja augu saknes absorbē nanodaļiņas – tās varētu nonākt arī cilvēka un dzīvnieku pārtikas ķēdē, izraisot nelabvēlīgu ietekmi uz cilvēka veselību.
 
Eiropas Savienības dokumentā „Nanozinātnes un nanotehnoloģija.  Eiropas rīcības plāns 2005. – 2009. gadam” (turpmāk – Rīcības plāns) sadaļā „Sabiedrības veselība, drošība, vides un patērētāju aizsardzība” ir noteikti šādi galvenie darbības virzieni un uzdevumi:
 
  • Zinātniskā komiteja ar veselību saistītu aktuālu un jaunu risku jautājumos (Scientific Committee on Emerging and Newly identified Health Risks (SCENIHR) (turpmāk – zinātniskā komiteja) sagatavos atzinumu un viedokli par esošo metodoloģiju atbilstīgumu un izvērtēs potenciālos riskus; 
  • Sekmēs un veicinās drošus un ne pārāk dārgus pasākumus, lai mazinātu apdraudējumu, ko nanodaļiņas rada strādājošiem, patērētājiem un videi;
     
  • Sniegs atbalstu pētījumiem (tai skaitā epidemioloģiskajiem), lai izvērtētu pašreizējos un sagaidāmos apdraudējuma līmeņus, kā arī novērtētu pašreizējo metožu atbilstību un noteiktu pasākumus, un izvirzītu jaunus ieteikumus;
     
  • Izstrādāt terminoloģiju, pamatnostādnes, paraugus un normas saistībā ar riska izvērtējumu visā nanoproduktu aprites ciklā, īpašu uzmanību pievēršot toksiskuma sliekšņiem, mērījumu un emisiju sliekšņiem, marķēšanas prasībām.
 
ES dalībvalstis tiek aicinātas apzināt nanotehnoloģiju lietojumus un apdraudējumus, ko rada īpaši nanodaļiņu produkti, ņemt vērā nanodaļiņas ieviešot jauno vielu ziņošanas sistēmu un atbalstīt to, ka nanomateriāliem tiek pieņemti vispārēji atzītie CAS (Chemical Abstract Service) reģistrācijas numuri un drošības datu lapas. Rīcības plānā tiek uzsvērts, ka arī Eiropas vides un veselības rīcības plānā (2004. – 2010), Kopienas stratēģijā par arodveselību un drošību darbā, kā arī jaunajā  ķīmisko vielu likumdošanā (REACH) būtu jāietver vairāki  atsevišķi būtiski aspekti par nanodaļiņām, ko ražo lielos daudzumos. Zinot jau esošās riska novērtēšanas metodoloģijas ir jāizvērtē to piemērotība nanodaļiņu testēšanai un monitoringam.
 
2006. gada 10. martā Zinātniskā komiteja sniedza savu viedokli (pēc konsultācijām ar sabiedrību) par esošo metodoloģiju piemērotību potenciālā riska novērtēšanai saistībā ar ražotajiem un nejauši izdalītajiem nanotehnoloģijas produktiem (Modified Opinion (after public consultation) on The appropriateness of existing methodologies to assess the potential risks associated with engineered and adventitious products of nanotechnologies).
 
Šajā dokumentā noteikts, ka  ir nepieciešami papildinājumi riska novērtēšanai un noteikti jānosaka jomas, kur trūkst zināšanas. Pašreizējās riska novērtēšanas metodikas ir jāpārveido un jāattīsta, it īpaši esošās toksikoloģiskās un ekotoksikoloģiskās metodes, jo pašreizējās var nebūt pietiekamas, lai izvērtētu visas problēmas saistībā ar nanodaļiņām.
 
Arī iekārtas nav piemērotas, lai novērtētu nanodaļiņu kaitīgumu videi. Tāpat trūkst zināšanu par daļiņu raksturojumu, devas un atbildes rādītājiem, iespējamo kaitīgumu, tas ir, visiem toksiskuma aspektiem. Īpaši nozīmīgs ir jautājums par nanodaļiņu transportu cilvēka organismā un savstarpējiem mijiedarbības mehānismiem šūnu un molekulārā līmenī. Nanodaļiņu iedarbības izvērtēšana un ar to saistītie veselības riski nav atklājami redzamā gaismā, būs samērā grūti paņemt paraugus, izmērīt un saskaitīt.
 
Būtiski ir ņemt vērā nanodaļiņu virsmas zonas izmērus, formu, sastāvu, virsmas lādiņu un absorbcijas spējas. Tāpat arī svarīgas īpašības ir virsmu modifikācijas, agregācijas spējas, šķīdība un sadalīšanās spējas. Šķīstot fizioloģiskā vidē daļiņas zaudē savas specifiskās īpašības, bet pastāv bažas, ja tās izšķīst kaitīgās molekulās. Daļiņām nešķīstot, iespējama ir šīs vielas ilglaicīga iedarbība saistībā ar nanodaļiņu specifiskajiem efektiem. Prioritāte ir jādod nanodaļiņu monitoringam darba vidē un epidemioloģiskajiem datiem par nanodaļiņu potenciālo iedarbību uz cilvēka veselību.
 
Ieteicamā literatūra:
 
  1. Komisijas paziņojums Padomei, Europas Parlamentam un Ekonomikas un sociālo lietu komitejai. Nanozinātnes un nanotehnoloģijas: Rīcības plāns Eiropai 2005. – 2009. gadam. Briselē, 07/06/2005. KOM(2005)243 (Nanosciences and nanotechnologies. An action plan for Europe 2005-2009). (COM/2005/243)
  2. Scientific Committee on emerging and newly identified health risks (SCENIHR) – modified Opinion (after publicē consultation) on the appropriateness of existinf methodologies to assess the potential risks associated with engineered and adventitious products of nanotechnologies. Adopted of 10 March 2006.
  3. Nanotechnik: Chancen und Risiken für Mensch und Umwelt, Hintergrundpapier, August 2006
  4. http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-presse/hintergrund/nanotechnik.pdf
  5. Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties, July 2004, The Royal Society of the Royal Academy of Engineering (2005)