|
|
Безопасность нанотехнологий2. Безопасность нанотехнологий
Министерство науки и высшего образования РФ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
Омский государственный технический университет
Институт «Заочного обучения»
Кафедра «Промышленная экология и безопасность»
Реферат
по дисциплине
«Безопасность жизнедеятельности»
на тему
«Безопасность нанотехнологий»
\
Омск
Содержание
Введение 3
1. Нанотехнология как научно-техническое направление 4
2. Нанотехнологии для обеспечения безопасности 5
3. Особенности наночастиц, обуславливающие их токсичность 7
4. Средства защиты от нанообъектов 10
Заключение 13
Список используемой литературы 14
Введение
Актуальность темы. Нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.
Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология – новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология – следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.
Цель работы – рассмотреть безопасность нанотехнологий.
Задачи работы:
1. Рассмотреть нанотехнологии как научно-техническое направление.
2. Изучить нанотехнологии для обеспечения безопасности.
3. Рассмотреть особенности наночастиц, обуславливающие их токсичность.
4. Охарактеризовать средства защиты от нанообъектов.
Нанотехнология как научно-техническое направление
Наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;
Наносистемная техника – полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.
Фундаментальные исследования явлений, происходящих в структурах с размерами менее 100 нм, дали начало развитию новой области знаний, которая, очевидно, в обозримом будущем внесет революционные изменения в технологии XXI века. Подобным структурам соответствует такое состояние вещества, когда в их поведении проявляются и доминируют принципиально новые явления, в числе которых квантовые эффекты, статистические временные вариации свойств и их масштабирование в зависимости от размеров структур, преобладающее влияние поверхности, отсутствие дефектов в объеме монокристаллов, значительная энергонасыщенность, определяющая высокую активность в химических реакциях, процессах сорбции, спекания, горения и т.п. Эти явления наделяют наноразмерные частицы и структуры уникальными механическими, электрическими, магнитными, оптическими, химическими и другими свойствами, которые открывают дверь в принципиально новую область манипулирования материей с применениями, трудно представимыми в обычной ситуации [5, с.7-20].
Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно ученым давно и используется в различных областях техники. Примерами наноразмерных структур могут служить широко применяемые аэрозоли, красящие пигменты, цветные стекла, окрашенные коллоидными частицами металлов. Впечатляющие примеры связаны с биологией, где живая природа демонстрирует нам наноструктуры на уровне клеточного ядра. В этом смысле собственно нанотехнология, как научное направление, не является чем-то новым. Качественная характеристика нанотехнологии заключается в практическом использовании нового уровня знаний о физико-химических свойствах материи. В этом одновременно и исключительность нанотехнологии – новый уровень знаний предполагает выработку концептуальных изменений в направлениях развития техники, медицины, сельскохозяйственного производства, а также изменений в экологической, социальной и военной сферах [2, с. 43].
Важной отличительной особенностью нанометрового масштаба является также способность молекул самоорганизовываться в структуры различного функционального назначения, а также порождать структуры, себе подобные (эффект саморепликации). Методами так называемого механосинтеза реализуются новые, не имеющие аналогов, молекулярные соединения. Проведены эксперименты, в которых тысячи и десятки тысяч молекул соединяются в кристаллы, обладающие изначально заданными свойствами, которые не встречаются у природных материалов.
Использование перечисленных выше свойств в практических приложениях и составляет суть нанотехнологии. На ее основе уже реализованы образцы наноструктурированных сверхтвердых, сверхлегких, коррозионно– и износостойких материалов и покрытий, катализаторов с высокоразвитой поверхностью, нанопористых мембран для систем тонкой очистки жидкостей, сверхскоростных приборов наноэлектроники.
2. Нанотехнологии для обеспечения безопасности
Современные достижения в области наноматериалов и нанотехнологий открывают новые возможности для повышения в десятки раз тактико-технических характеристик систем безопасности и являются по своей сути инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности. В ближайшие 3–10 лет наиболее перспективны следующие направления использования нанотехнологий в системах безопасности[1, с. 25]:
1. Новые средства и методы контроля и защиты документов от подделки, например на основе наноматериалов, микропечати, тонких электронных схем, бумаги с добавлением наночастиц, компактных устройств считывания данных.
2. Системы контроля доступа в помещения на основе наносенсоров, например считыватели отпечатков пальца, теплового рисунка вен руки или головы, геометрической формы руки в динамике.
3. Многофункциональные сенсоры «электронный нос» для обнаружения и идентификации сверхмалых количеств взрывчатых, наркотических и опасных веществ.
4. Более компактные, чуткие и информативные портативные и стационарные металлоискатели и детекторы движения на основе наносенсоров.
5. Распределенные массивы наносенсоров типа «умная пыль» для охраны границ и периметров объектов.
6. Магниторезонансные установки для точного анализа объемного содержания закрытых емкостей и грузов в аэропортах, на проходных, на таможне.
Примеры создания перспективных технических средств и систем безопасности на базе нанотехнологий и наноматериалов, имеющие высокую степень завершенности исследований:
1. Антитеррористические средства, в т.ч. гиперспектральные наноанализаторы сверхнизких концентраций взрывчатых, наркотических и других запрещенных к распространению веществ.
2. Системы контроля и управления доступа, паспортного и миграционного контроля, в т.ч.:
– идентификационные документы и системы контроля и управления доступа на базе нанометок и нанопамяти, включая системы для идентификации лиц на основе получения, записи на защищенный носитель (нанопамять) и цифровой обработки трехмерного видеоизображения;
– замковые устройства для режимных помещений с уникальными электронными ключами нанометками;
– электронные заграничные паспорта второго поколения и миграционные удостоверения с нанопамятью 1–10 Гбайт.
3. Особенности наночастиц, обуславливающие их токсичность
Прежде всего, это химическая и каталитическая активность поверхности наночастиц, отсутствующая у этого же вещества, имеющего более крупную дисперсность. Второй особенностью наночастиц, проявляющейся их токсичностью, является их высокая концентрация в воздухе при незначительном количестве самого распыленного вещества. И третья особенность наночастиц – это их способность к ингаляционному, трансдермальному, транснейральному и энтеральному проникновению в любые органы и ткани человека, включая ЦНС. Наночастицы по размеру сходны с рецепторами клеток и молекулами, осуществляющими сигнальную функцию. Исследования, проведенные в условиях in vitro с использованием различных клеточных систем, показали развитие у клеток, экспонированных к наночастицам, прововоспалительных и связанных с окислительным стрессом реакций [2, с. 43].
Окислительный стресс, вызванный активной поверхностью наночастиц, приводит к увеличению внутриклеточного кальция и к активации отдельных генов. Проникшие в клетку частицы металла приводят клетку к окислительному стрессу, увеличивая, в свою очередь, внутриклеточное содержание кальция и активируя отдельные гены. Клеточный рецептор, активированный металлом, высвободившимся из наночастицы, приводит к активации отдельных геннов. EGFR (epidermal growth factor receptor) – рецептор эпидермального фактора роста. NF-kB (ядерный фактор кВ) – основной транскрипционный активатор воспалительных цитокинов [1, с. 36].
В опытах на лабораторных животных был подтвержден высокий воспалительный потенциал наночастиц, и было установлено, что он тем выше, чем меньше размер частиц, к которым экспонировано животное. Также было установлено значительное разрушительное действие наночастиц на легочную ткань.
Показано, что введение в организм млекопитающих полимерных наночастиц, несущих нуклеиновые кислоты, помимо специфического действия, обусловленного экспрессией нуклеиновых кислот, вызывает целый ряд неспецифических генерализованых реакций, а именно: синтез цитокинов, скоротечную лимфопению, тромбоцитопению, канцерогенные и острые токсические эффекты [5, 6].
В патологическом эффекте нанообъектов прослеживается определенная специфичность, обусловленная их структурой и химическим строением. Например, агрегированные одностеночные углеродные нанотрубки в легочной ткани мышей индуцируют образование гранулем, главным образом связанных с гипертрофией эпителиальных клеток, Эти же трубки, но в диспергированном состоянии, вызывают развитие диффузного интерстициального фиброза с утолщением стенок альвеол [2, с. 63].
Пути проникновения наночастиц в организм человека наночастица электроника токсичность организм:
Их четыре – через легкие, обонятельный эпителий, кожу и желудочно-кишечный тракт.
Наиболее доступны для наночастиц легкие. Они состоят из двух различных частей – воздушных путей, транспортирующих воздух в легочную ткань (трахеобронхиальный и назофарингеальный регионы), и составляющих легочную ткань альвеол, где происходит газообмен. Легкие человека содержат около 2300 км воздушных путей и 300 млн альвеол. Общая поверхность легких взрослого человека 140 м2, что больше теннисного корта. Воздушные пути хорошо защищены от проникновения крупных частиц благодаря активному эпителию и вязкому слизистому слою на его поверхности. Но в газообменной области альвеол барьер между альвеолярной стенкой и капиллярами очень тонок, всего 500 нм и легко для них проницаем.
Распространение наночастиц по дыхательным путям может показаться весьма неожиданным для специалистов, привыкших моделировать эти процессы в диапазоне 1–10 мк.
Например, до 90% ингалированных 1-нм частиц оседает в назофарингеальном тракте, до альвеол они «не доходят». 5-нм частицы распределяются относительно равномерно по назофарингельному тракту, трахеобронхиальному тракту и альвеолам ( по 30%). Частицы диаметром в 20 нм наиболее эффективно оседают в альвеолах ( 50%). В тоже время в трахеобронхиальном и назофарингеальном регионах задерживается по 15 % от их общего количества. Такое дифференцированное распределение наночастиц разных размеров в различных разделах легких неизбежно сказывается на их экстрапульмонарном распределении.
Наночастицы после ингаляции проникают в кровеносное русло по разным механизмам. Скорость этого процесса может варьировать для наночастиц разных размеров и химического состава. Но в некоторых случаях этот процесс может осуществляться очень быстро. Например, ингалированные углеродные частицы размером менее 100 нм уже через одну минуту после экспозиции можно обнаружит в крови экспериментального животного [5, с. 63].
«Новинкой», характерной именно для частиц нанодиапазона, является возможность их проникновение в организм человека по нервным волокнам, идущим от обонятельного эпителия; и через кожу. Еще 60 лет назад было установлено, что полиовирус (30 нм), введенный экспериментальному животному интраназально, может через луковицу обонятельного нерва проникать непосредственно в ЦНС. Но, как оказалось, наночастицы способны проникать в ЦНС этим же путем.
Cкорость транспорта полиовирусов и наночастиц по обонятельному нерву примерно одинакова – 2,4…2,5 мм/час. Помимо транснейронального проникновения в ЦНС, наночастицы легко преодолевают гематоэнцефалический барьер.
Возможны три пути проникновения наночастиц через кожу: между клеток, через клетки и через волосяные фолликулы. Например, липосомы с размерами в пределах от 20 нм до 200 нм легко «проходят» между клетками. Проникновение в организм человека через кожные покровы для наночастиц облегчается тонкостью верхнего слоя кожи – эпидермиса. Лежащий же под ним слой – дерма – очень богат макрофагами крови и тканей, лимфатическими узлами, дендритными клетками, в него «выходят» окончания сенсорных нервов пяти различных типов; все эти «обитатели» дермального слоя способны поглощать и распространять нанообъекты за пределы их первоначальной аппликации.
То, что любые незначительные механические повреждения кожи делают ее «проницаемой» для наночастиц, понятно. Но Tinkle et al. (2003) продемонстрировали, что неповрежденная кожа в местах сгиба, например, в области запястья, может становиться проницаемой для наночастиц [13]. Уже в 2008 г. опубликованы экспериментальные данные, показывающие, что ультрафиолетовое облучение кожи значительно повышает ее проницаемость для наночастиц [14]. Видимо, в ближайшие годы будут обнаружены и другие сюрпризы подобного рода, так как изучение проблемы проникновения в организм человека объектов наноразмера, еще только начинается.
Патологическое действие веществ субмикронного диапазона не является чем-то неожиданным для токсикологов. После появления в 1916 г. на фронтах Мировой войны у воюющих армий угольных противогазов, многим специалистам казалось, что теперь «противогаз победил газ». Однако в июле 1917 г. германской армией во Фландрии впервые были применены новые отравляющие вещества раздражающего действия – арсины (дифенилхлорарсин, адамсит, дифенилцианарсин). В отличие от использовавшихся ранее фосгена, хлора, синильной кислоты, арсины – это твердые вещества. Они диспергировались специальными снарядами до образования частиц субмикронного диапазона, преодолевавших противодымные фильтры противогазов. Борьба с такими «дымами» оказалась более сложной, чем с ОВ, применявшимся в газообразном состоянии. До конца войны не было создано удовлетворительных противодымных фильтров [5, с. 75].
4. Средства защиты от нанообъектов
Поскольку во многих странах так и не выработаны единые правила безопасности для работы с наноматериалами, исследовательские заведения пока должны сами разрабатывать правила безопасной работы с нанообъектами. Исследователи из Университета Сарагосы (Испания) опросили 240 исследователей и выяснили, что в институтах половины респондентов не существует отдельных инструкций по безопасной работе с наноматериалами, 27% не уверены в существовании подобных инструкций.
К оценке вредного воздействия наноматериалов на организм человека необходимо подходить комплексно – потенциальная опасность этих объектов зависит от ряда факторов, как, например, форма, размер, химический состав и растворимость нанообъекта. До настоящего времени большая часть исследований была посвящена токсичному воздействию нанообъектов на «потребителя» или влиянию на окружающую среду, но не исследованию воздействия, возникающего при постоянном контакте ученых с нанообъектами в лаборатории. Так, до сих пор не определены предельно допустимые концентрации наноматериалов в лабораторном помещении.
Один из авторов исследования, Хесус Сантамария (Jesus Santamaria) отмечает, что поскольку исследователи из его группы сами являются специалистами по наноматериалам, они часто сталкиваются с вопросами – как хранить эти материалы, как не допустить загрязнения ими воздуха в лабораторном помещении, и как обращаться с ними.
Еще один вопрос, который исследователи из группы Сантамарии уточняли у своих коллег следующий – могут ли наноматериалы попасть в воздух лаборатории в процессе синтеза. Половина участвовавших в опоросе специалистов исключили такую возможность, 22% сказали, что не уверены, остальные считают, что такое весьма вероятно.
Испанские исследователи также интересовались насчет средств защиты от лабораторного оборудования (изолированные боксы, вытяжные шкафы), до индивидуальных средств защиты (перчатки и, в особенности, респираторы и защитные маски). Как это не удивительно, оказалось, что примерно одинаковое защитное оборудование применяют и те исследователи, кто опасается попадания наночастиц в лабораторный воздух, так и те, кто исключает эту возможность; 40% участников опроса полагают, что лабораторное оборудование защиты недостаточно хорошо защищает их от наночастиц, и лишь 10% опрошенных респондентов ответили, что используют специальные фильтрующие системы для понижения риска попадания наночастиц в атмосферу.
Около двух третей респондентов не используют в работе с наноматериалами защитные респираторы или используют простейшие индивидуальные средства защиты без воздушных фильтров тонкой очистки, специальные средства защиты, как правило, используют только те специалисты, которые не исключают возможность перехода нанообъектов во взвешенное в воздухе состояние. Самое интересное, что хотя 81% участников опроса уверены, что отходы от получения нанообъектов следует рассматривать как потенциально вредные материалы, пока не доказано обратное, 85% не используют для утилизации этих отходов какие-то специальные методики.
Сантамария утверждает, что с одной стороны не стоит панически бояться взвешенных в воздухе наночастиц лабораторного происхождения – с каждым вдохом в наш организм попадают миллионы наночастиц природного происхождения (взвешенные в воздухе пылинки), и большинство нанообъектов не опаснее использующихся в настоящее время химических соединений, хотя ряд новых нанообъектов и может проникать через мембрану клетки и даже в клеточное ядро (например, углеродные нанотрубки).
Заключение
Нанотехнологии – область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Наносистемная техника – полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.
Современные достижения в области наноматериалов и нанотехнологий открывают новые возможности для повышения в десятки раз тактико-технических характеристик систем безопасности и являются по своей сути инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности.
К оценке вредного воздействия наноматериалов на организм человека необходимо подходить комплексно – потенциальная опасность этих объектов зависит от ряда факторов, как, например, форма, размер, химический состав и растворимость нанообъекта. До настоящего времени большая часть исследований была посвящена токсичному воздействию нанообъектов на «потребителя» или влиянию на окружающую среду, но не исследованию воздействия, возникающего при постоянном контакте ученых с нанообъектами в лаборатории. Так, до сих пор не определены предельно допустимые концентрации наноматериалов в лабораторном помещении.
Список используемой литературы
Венцель, В.Д. Безопасность жизнедеятельности : учеб. пособие / В. Д. Венцель ; Минобрнауки России, ОмГТУ. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. – 172 с.
Головин, Ю.И. Введение в нанотехнику / Ю.И. Головин. – М.: Сфера, 2016.– 215 с.
Гусев, А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии А.И. Гусев. – М.: Аспект, 2019. – 151 с.
Венцель, В.Д. Безопасность жизнедеятельности : учеб. пособие / В. Д. Венцель ; Минобрнауки России, ОмГТУ. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. – 172 с.
Кобаяси, Н. Введение в нанотехнологию / Н. Кобаяси. – М.: Юнити, 2017. – 117 с.
Нанотехнологии / Ф. Оуэнс. Пер. с англ. – М. : Техносфера, 2015. – 272 с.
Структура и свойства нанокристаллических материалов / под ред. Г.Г. Талуда и Н.Н. Носковой. – Екатеринбург: Изд-воУрО РАН, 2019. – 231 с.
|
|
|
Скачать 110.5 Kb.