Super-winzige Nanomaterialien sind in der Lage, unsere Technologien zu revolutionieren. Was sie sonst noch tun könnten: niemand weiß es wirklich.
Jedes Alter hat seine Wundermaterialien. Für die Viktorianer war es Gummi. Im 20th Jahrhundert war es Plastik. Und für das digitalisierte 21st Jahrhundert, kann sich herausstellen, dass es Graphen ist.
Haben Sie schon von Graphen gehört? Wenn nicht, wirst du es bald tun. Es ist eines der neuesten nanoskaligen Materialien, die aus unseren Laboren hervorgegangen sind - und als New York Times kürzlich angekündigt, "es wird erwartet, fast jeden Aspekt des Lebens zu verändern."
Jeden Tag lernen Wissenschaftler neue Dinge über dieses erstaunliche Nanomaterial. Aber nicht alles, was sie darüber lernen, ist ein Grund für ungezügelten Optimismus. Wie andere Wundermaterialien der Vergangenheit kann sich Graphen als nicht ganz so wunderbar herausstellen.
Was ist Graphen?
Graphen stammt von Graphit, der gleichen Substanz auf Kohlenstoffbasis, die wir in Bleistifte stecken. Aber Graphen hat nichts gemein. Seine Atome sind in der denkbar dünnsten Schicht miteinander verbunden: ein Wabengitter, das nur ein Atom dick ist.
Ein Blatt Graphen ist so dünn, dass laut der American Chemical Society eine Unze davon 28-Fußballfelder bedecken könnte; ein kleiner Brocken ist so leicht, dass Sie ihn auf einem Gänseblümchen ausgleichen können, ohne die Blütenblätter zu biegen. Es ist auch (nicht zufällig) stärker als Stahl, härter als Diamanten und leitfähiger als Kupfer oder Silizium - und außerdem wasserdicht, transparent und unglaublich biegsam.
Mit anderen Worten, es wäre schwierig, ein anderes Material mit so vielen nützlichen Eigenschaften zu finden. Kein Wunder, dass Forscher in einem breiten Spektrum von Industriezweigen darum kämpfen, Graphen aus unseren Labors und in unser Leben zu bringen. Laut Lux Research, einem Unternehmen, das aufstrebende Technologien analysiert, wird erwartet, dass der Umsatz, der 9 knapp unter 2012 Millionen US-Dollar liegen hat, 14 von 126 auf $ 2020 Millionen steigern wird.
Gründe, sich aufzupassen, gegeben die Lektionen der Vergangenheit
Tech-Experten sagen voraus, dass Graphen ein breites Spektrum von Konsumgütern, von Kondomen über Computer bis hin zu chemischen Sensoren, verändern könnte. "5-Gründe, Graphen wird Ihre Gadgets für immer ändern"Eine Meldung, die auf eine Zukunft hindeutet, die mit papierdünnen Smartphones, flexiblen Computerdisplays, medizinischen Geräten, die mit menschlichen Zellen" sprechen "können, und extrem langlebigen Batterien ausgestattet ist.
Graphenes glühende Champions behaupten, dass man damit stärkere und leichtere Autos, erheblich effizientere Solarzellen, sogar synthetisches Blut herstellen könnte.
Der unverhohlene Hype klingt vertraut - und er lenkt uns angesichts der Lehren aus der Vergangenheit wachsam auf. Asbest wurde einst wegen seiner Fähigkeit, Flammen zu widerstehen, als "das magische Mineral" angepriesen; erst später haben wir entdeckt, dass es in der Tat ist, ein Killerstaub.
Die gleiche Geschichte mit DDT, die sich als äußerst schädlich erwies, nicht nur für die krankheitsübertragenden Moskitos, die sie töten sollte, sondern auch für sie Wildtiere (vor allem Vögel) und Menschen; mit Vinyl, was sich letztendlich gezeigt hat ein bedeutender Hormon-Disruptor; oder mit dem nicht biologisch abbaubaren Polyethylenfilm, der sich entzündet hat unzählige Ban-the-Bag-Laufwerke. Jeder wurde eifrig umarmt und weit verbreitet, bevor wir herausfanden, dass er eine dunkle, gefährliche Seite hatte.
Das Collingridge-Dilemma
Es gibt tatsächlich einen Begriff für dieses Phänomen, ich habe kürzlich gelernt: das Collingridge-Dilemma. Benannt nach David Collingridge, dem ansonsten obskuren britischen Professor, der es erstmals in einem 1980-Buch postulierte, erkennt es die Schwierigkeit an, die negativen Auswirkungen einer neuen Technologie vorherzusagen, bis diese Technologie weit verbreitet ist - zu welchem Zeitpunkt natürlich Es wird so viel schwieriger, diese negativen Aspekte anzugehen und angemessene Abhilfemaßnahmen zu treffen. Oder, wie Collingridge selbst es ausdrückte Die soziale Kontrolle der Technologie,
"Wenn der Wandel einfach ist, ist die Notwendigkeit dafür nicht vorhersehbar; Wenn die Notwendigkeit für Veränderungen offensichtlich ist, ist die Veränderung teuer, schwierig und zeitraubend. "
Das könnte erklären, warum Forscher bei Nanomaterialien versuchen, der Kurve voraus zu sein. Eine Reihe von Forschungsprogrammen ist entstanden, um die Probleme der Nanotechnologie zu untersuchen. Zum Beispiel haben seit 2008 sowohl die Environmental Protection Agency als auch die National Science Foundation Dutzende Millionen Dollar in ein gemeinsames Programm an der Universität von Kalifornien, Los Angeles, und der Duke University, bekannt als die Zentrum für die ökologischen Auswirkungen der Nanotechnologie (CEIN).
Die Forscher verfolgen die Art von Fragen, die in der Vergangenheit oft nicht gestellt wurden, bis es zu spät wäre, um ernsthafte Probleme zu lösen, die sich aus den Antworten ergaben. Können diese neuen Materialien in unsere Umwelt gelangen? Was passiert, wenn sie es tun? Wie interagieren sie mit verschiedenen Pflanzen und Organismen? Haben sie toxische Wirkungen?
Unter anderem haben diese Forscher verschiedene Nanomaterialien in menschlichen und tierischen Zellen getestet, ihre Auswirkungen auf Labortiere untersucht, untersucht, wie sie sich in Boden und Wasser verhalten, und die Angemessenheit bestehender Gesetze bezüglich ihrer Kontrolle und Regulierung analysiert. Dank dieser Bemühungen "haben wir viel mehr Daten generiert, als ich vor sieben Jahren jemals erwartet hätte", sagt Andrew Maynard, Direktor des Risk Science Center der Universität von Michigan, der lange vor einer besseren Aufsicht gewarnt hat Nanotechnologie. Es gibt immer noch viele wichtige Fragen, die unbeantwortet bleiben, sagt er, aber "wir fangen an, einen wirklichen Griff zu bekommen, was wirklich besorgniserregend ist und was nicht so beunruhigend ist."
Gefährlichkeit kann viele Formen annehmen
Zunächst einmal wird immer deutlicher, dass einige Arten von Nanomaterialien wenig Risiken für die Umwelt oder die öffentliche Gesundheit darstellen, einige mehr, und einige - insbesondere die neueren - immer noch im Wesentlichen Fragezeichen sind. Der gefährlichste von ihnen scheint sicher zu sein, dass Nanomaterialien, die aus Silber, Kupfer oder Zink gewonnen werden, sich alle leicht in Wasser und Zellen lösen und dabei giftige Metalle freisetzen. Aber Gefährlichkeit kann viele Formen annehmen.
Die besondere Morphologie eines Nanomaterials macht einen großen Unterschied. Einige (einschließlich Graphen) haben scharfe Kanten, die durch Zellwände schneiden können. Nadelartige Kohlenstoff-Nanoröhrchen können beim Einatmen sehr ähnlich wie Asbest wirken und das Lungengewebe stark schädigen.
Als jüngstes Nano-Wunder hat Graphen erst jetzt die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen. Und die ersten Ergebnisse haben bereits einige besorgniserregende Anzeichen aufgezeigt und unterstrichen, wie wichtig diese frühen Untersuchungen sein können. In Eins 2013 StudieSo fanden die Ingenieure der Brown University heraus, dass Graphenschichten mit scharfen Kanten menschliche Haut-, Lungen- und Immunzellen durchdringen und möglicherweise sogar durchdringen können.
Können wir die Graphen-Revolution starten, ohne unsere Gesundheit oder die Umwelt zu gefährden?
In Eine weitere aktuelle StudieWissenschaftler von CEIN an der University of California-Riverside fanden heraus, dass Graphenoxid-Nanopartikel in bestimmten aquatischen Umgebungen eine beunruhigende Umweltpersistenz aufweisen. In einer Simulation eines Grundwasserleiters schienen sie in das Sediment zu sinken, wo sie wahrscheinlich biologisch abgebaut wurden. Bei der Simulation von Oberflächenwasser, wie einem See oder einem Strom, tendierten die Partikel jedoch dazu, auf tote Blätter und andere organische Materie zu gleiten. In der Wassersäule schwebend, wurden sie viel eher von aquatischen Mikrozittern aufgenommen - oder um in unsere Wasserversorgung zu gelangen.
Aber es muss natürlich zwischen möglichen Risiken und tatsächlichen Gefahren unterschieden werden. Wie Sharon Walker, einer der Autoren der UC-Riverside-Studie, mir sagte,
"... wir wollen nicht so sehr die roten Fahnen aufziehen, um die Leute zu informieren, so dass die roten Fahnen das nicht tun haben aufgezogen werden."
Solche Studien bieten Herstellern und Politikern eine frühe und immens wertvolle Möglichkeit, Wege zu finden, die Graphen-Revolution zu starten, ohne unsere Gesundheit oder die Umwelt zu gefährden.
Ich kann mir vorstellen, dass David Collingridge sich freuen würde.
Dieser Artikel erschien ursprünglich in Auf der Erde
Über den Autor
Susan Freinkel ist die Autorin von Plastik: Eine giftige Liebesgeschichte und American Chestnut: Das Leben, der Tod und die Wiedergeburt eines perfekten Baumes. Sie hat auch für die New York Times, Discover, Smithsonian, Mindful und andere Publikationen geschrieben. Ihre Interessen gehen weit auseinander: Sie deckt Geschichten ab, die von Rinderwahnsinn bis hin zu einer Vitaminbehandlung für bipolare Störungen reichen, von der Adoption über den Fall für Zoos bis hin zur Suche nach einer blauen Rose. Eine Geschichte über eine Krankheit, die kalifornische Eichen plagt, führte zu ihrem ersten Buch, American Chestnut: Das Leben, der Tod und die Wiedergeburt eines perfekten Baumes. Es gewann einen 2008 National Outdoor Book Award. Nachdem sie sich für dieses Buch in die natürliche Welt eingetaucht hatte, wandte sie sich bei ihrem nächsten Buch der unnatürlichen Welt zu. Plastik: Eine giftige Liebesgeschichte.
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