Interviu Dr. Ovidiu Crisan: Cat de utile, dar si cat de sigure sunt nanomaterialele
Nanomaterialele sunt aproape universal recunoscute drept “solutia viitorului”. Au aparut insa unele discutii legate despre siguranta pentru sanatate a acestor materiale. Iar luna trecuta, conform BBC, un raport al Comisiei Regale de studiere a Poluarii Mediului din Marea Britanie ajungea la concluzia ca, desi nu a putut fi demonstrat un efect nociv cert al nanomaterialelor asupra sanatatii umane, sunt necesare mai multe studii pe aceasta tema. Acelasi raport atragea atentia ca ar fi necesare studii pe aceasta tema care sa se intinda pe durata mai multor decenii, astfel incat sa poata fi bine cunoscute si posibilele efecte asupra sanatatii umane pe termen lung. Raportul nu este un semnal de alarma, ci reaminteste necesitatea studierii tuturor aspectelor legate de conceperea materialelor viitorului.
Am stat de vorba despre nanomateriale, proprietatile si aplicatiile acestora, precum si despre siguranta utilizarii lor, cu Dr. Ovidiu Crisan, cercetator la Institutul National pentru Fizica Materialelor.
R. Cum va arata lumea nanomaterialelor peste 20 de ani? Asistam deja la o adevarata invazie a acestor nanomateriale. In prezent exista pe piata peste 600 de produse care au in componenta lor nanomateriale, iar in ceea ce priveste patentele, acestea sunt peste 1600. Revin si va intreb – care credeti ca va fi raspandirea lor peste 20 de ani? Bineinteles, in conditiile in care pe piata nanomaterialelor nu vor aparea schimbari fundamentale.
OC. Nevoia de nanomateriale este, fara discutie, in continua crestere. Un alt exemplu foarte concludent in ce priveste necesitatea de a produce nanomateriale, il constituie mediile de inregistrare magnetica – hard-disk-urile din fiecare computer.
Publicul larg cunoaste foarte bine cresterea fantastica a densitatii de stocare de date, ceea ce a facilitat crearea de medii de stocare din ce in ce mai mici cu capacitate de stocare din ce in ce mai ridicata. Aceasta se traduce in dimensiuni din ce in ce mai mici a granulelor de material magnetic ce actioneaza ca un bit de inregistrare.
Aceasta crestere fara precedent in tehnologia moderna nu ar fi fost posibila fara noile tehnologii de a produce nanomateriale magnetice, cu dimensiuni ale granulelor din ce in ce mai mici. Voi sublinia doar faptul ca in ultimii ani rata de crestere a capacitatii de stocare de date a fost de cca 40% si se pare ca aceasta tendinta de crestere, strans legata de – si concomitenta cu micsorarea dimensiunii bitului magnetic va continua si in viitor. In prezent, se comercializeaza in mod curent memorii flash USB de 32 Gigabiti in dispozitive nu mai mari de cativa cm patrati. Pe plan mondial, in urma cu numai cateva luni, compania Hitachi a demonstrat public inregistrarea magnetica pe un mediu cu o densitate de inregistrare de 610 Gigabiti / inch patrat.
Aceasta densitate de stocare, inimaginabila acum zece ani, a fost posibila prin perfectionarea tehnicilor de sinteza de nanomateriale magnetice cu dimensiuni ale granulelor magnetice de cativa zeci de nanometri, adica de miliardimi de metru. Pe de alta parte, diminuarea dimensiunii bitilor trebuie sa se produca concomitent cu scaderea dimensiunii capetelor de citire / scriere fara de care stocarea si accesarea datelor stocate nu ar fi posibila.
In prezent, beneficiind de nanotehnologii bazate pe efectul de magnetorezistenta gigant, capetele de citire pot asigura functionarea corecta a unui mediu de inregistrare magnetica cu densitate de pana la 1,5 Terabiti per inch patrat. Din nou, acest efect, pentru descoperirea caruia, Fert si Grunberg au fost distinsi in 2008 cu premiul Nobel pentru Fizica, nu ar fi fost posibil in materiale magnetice conventionale, ci doar in materiale ce au cel putin doua (din cele trei) dimensiuni la scala nanometrica.
R. Haideti sa revenim la intrebare si sa concluzionam. In aceste conditii – care credeti ca va fi viitorul nanomaterialelor?
OC. Din aceste motive consider ca piata pentru nanomateriale va creste si in continuare, nu numai in acest domeniu restrans ci si in nanoelectronica, unde deja se vorbeste despre tehnologii bazate pe manipularea directiei de rotatie a momentului magnetic al unui singur electron, pentru dispozitive electronice de extrema performanta, aceasta fiind o stiinta emergenta ce poarta denumirea de spintronica.
Alte domenii unde se preconizeaza o cerere din ce in ce mai mare de nanomaterialele sunt: cataliza, aplicatiile biomedicale legate de terapia tumorilor cu nanoparticule cu suprafete functionalizate cu anticorpi si alte molecule, sau legate de administrarea de medicamente ghidata in regiunea afectata direct prin aplicarea unui camp magnetic extern (in acest caz, nanoparticula magnetica inglobeaza medicamentul de administrat si il conduce exact in acea regiune a corpului unde este nevoie de el), aplicatiile in industria textila, conform studiului de care ati mentionat, sau in industria materialelor stocatoare de hidrogen.
Este de ajuns sa mentionez, ca intr-un viitor nu foarte indepartat, autovehiculele vor trebui sa functioneze, datorita epuizarii resurselor de carburant, cu combustibili alternativi. Ori cel mai bun combustibil alternativ este hidrogenul. Exista, in prezent, patente ce descriu capacitati de stocare de hidrogen in nanomateriale poroase ce pot fi compatibile cu utilizarea ca “rezervor” de combustibil, intr-un autovehicul conventional. Din motive legate de costurile ridicate, companiile nu aplica inca la scara industriala acest concept, insa este de preconizat ca in curand cererea de nanomateriale performante pentru stocarea hidrogenului sa creasca exponential. Din toate aceste motive, consider ca piata de nanomateriale se va dezvolta vertiginos in urmatorii 20 de ani.
R. Raportul citat arata ca, la nivel foarte mic, nano, materialele, precum argintul si carbonul se manifesta diferit fata de modul in care acestea se manifesta atunci cand sunt folosite la nivel macro. Despre ce este vorba? Si – tot legat de acest lucru – materialele la nivel macro nu sunt si ele constituite tot din atomi ai acelorasi substante?
OC. Orice material se comporta diferit la scala nanometrica fata de materialul la scala macroscopica. Mai precis, unul si acelasi material poate avea proprietati fizice si chimice radical diferite daca este de dimensiuni nanoscopice, fata de acelasi material dar de dimensiuni macroscopice.
Daca ne referim la metale indeosebi, o pulbere foarte fina de argint de exemplu va avea cu totul alte proprietati fata de o bara sau o foita subtire din argint. La nivel atomic aceasta se poate explica astfel: structura cristalina este alcatuita dintr-un numar mare de atomi asezati in aranjamente periodice repetate la infinit. Acesti atomi sunt legati intre ei prin legaturi chimice.
Daca dimensiunea unei particule constituente a materialului respectiv scade foarte mult, cum este cazul particulelor de pulberi foarte fine, atunci in acea particula un numar foarte mare de atomi se vor afla la suprafata particulei, comparativ cu cei din interiorul particulei. Cu cat o particula sferica este mai mica cu atat atomii din centru vor fi mai putini fata de cei de pe circumferinta, sa spunem asa. De exemplu, intr-o particula sferica de Fier cu un diametru de cca 5 nanometri, un numar de 40% dintre atomii constituenti se vor afla in stari de suprafata. Acesti atomi dau proprietatile radical diferite fata de cele din materialele aflate la scala macro. Cu cat acest raport este mai mare cu atat proprietatile vor fi mai diferite.
Aceasta se datoreaza in special faptului ca atomii de la suprafata nu au la fel de multi atomi vecini precum cei din “interior”. Pentru ca se invecineaza in mod firesc cu exteriorul particulei, vor avea un numar mare de legaturi chimice nesatisfacute si astfel vor fi extrem de reactivi, in sensul atragerii altor specii chimice cum sunt oxigenul, hidrogenul sau molecule organice. Aceasta reactivitate foarte crescuta a materialelor nanometrice sta la baza majoritatii aplicatiilor acestora in industrie.
R. Studii mai vechi vorbesc despre faptul ca nanomaterialele pot fi sau nu eficiente in functie de forma, care conteaza foarte mult. Alte studii presupun ca forma ar avea un rol foarte mare si la estimarea impactului negativ asupra mediului sau al sanatatii – chiar daca si aceste studii sunt abia la inceput si nu au concluzii clare. De ce este asa de importanta forma nanomaterialelor?
OC. Haideti sa va dau ca exemplu nanomaterialele magnetice cu aplicatii in medicina. Forma nanoparticulelor magnetice care intra in compozitia unui nanomaterial este importanta deoarece induce ceea ce noi numim o anizotropie de forma (shape anisotropy) pentru o proprietate fizica data, in cazul de fata pentru momentul magnetic.
Daca de exemplu, nanoparticula nu mai este sferica ci, sa zicem, elipsoidala, atunci momentul magnetic se va orienta cu mai multa usurinta pe axa mare a elipsoidului si foarte greu pe o directie perpendiculara pe aceasta. Aceasta proprietate a unei marimi de a fi diferita in toate cele 3 directii ale spatiului poarta denumirea de anizotropie. In particular anizotropia de forma induce proprietati magnetice imbunatatite in cazul nanoparticulelor de oxid de Fier ce se folosesc pentru transmiterea ghidata a medicamentatiei (drug delivery vector).
Aceste nanoparticule au forma de ace si au, datorita anizotropiei de forma un moment magnetic mult mai ridicat fata de acelasi material la scala macroscopica. Pot astfel ingloba, datorita formei, un numar mai mare de molecule din materialul terapeutic, fie ca e vorba despre anticorpi, markeri tumorali sau alte molecule.
Acesta este doar un exemplu despre modul in care forma influenteaza foarte mult proprietatile nanomaterialelor, care explica si de ce acelasi material are proprietati diferite in functie de dimensiuni.
R. Studiul afirma ca nu trage o concluzie generala ci ca este nevoie de multi ani de studii aprofundate de acum inainte pentru a vedea care este impactul nanomaterialelor asupra sanatatii. Aduce insa doua exemple negative clare: nanoargintul si unele nanotuburi de carbon. Despre ce este vorba?
OC. Majoritatea metalelor sunt toxice si la scala macro. Totusi, in majoritatea aplicatiilor in industrie, in industria metalelor grele, se folosesc filtre performante care curata apele reziduale ce contin aceste metale sau aerul pe care il respiram.
La scaderea drastica a dimensiunilor inspre zona nano, aceste filtre nu mai pot retine particulele de metal si astfel este firesc ca lumea stiintifica sa traga un semnal de alarma in acest sens.
Argintul a fost intr-adevar dovedit ca fiind nociv la scala nano, asta datorita lipsei mijloacelor chimice adecvate de protectie iar nanotuburile de carbon care sunt crescute pe suporti porosi sau polimerici, odata desprinse de acesti suporti, pot fi prezente in aerul pe care il respiram fiind practic imposibil de filtrat datorita dimensiunilor nanometrice.
La ora actuala nu exista insa studii clinice care sa indice cu grad inalt de certitudine cat de nocive sunt si care este gradul de pericol pe care il reprezinta utilizarea nanomaterialelor in viata de zi cu zi.
Insa dupa parerea mea, orice trecere a unui nanomaterial din stadiul de laborator in stadiul de prototip pentru o aplicatie stabilita trebuie sa fie insotita obligatoriu de solutii concrete de protectie a populatiei la utilizarea acestor nanomateriale. Trebuiesc gasite inclusiv solutii concrete de reciclare pentru acest tip de nanomateriale atunci cand acestea isi inceteaza utilitatea, la fel cum exista tehnologii de tratare a apelor uzate sau a deseurilor rezultate din aplicatii nucleare.
Este deci responsabilitatea celor care realizeaza implementarea patentelor in aplicatii tehnologice de a veni si cu astfel de solutii care sa faca utilizarea nanomaterialelor cat mai sigura posibil.
R. De multi ani exista un consens aproape general al cercetatorilor care vedeau in nanomateriale o solutie aproape generala pentru problemele actuale, de la medicina la moda si cucerirea spatiului. Nu exista o posibilitate ca aceste precautii suplimentare in legatura cu nanomaterialele sa faca parte si intr-un proces firesc de recul, de combatere a acestor solutii? Sau este vorba pur si simplu despre o cercetare suplimentara obiectiv necesara?
OC. Dupa parerea mea, nanotehnologiile in general vor rezolva o mare parte din provocarile lumii moderne.
Exista un potential extrem de promitator de tratare a tumorilor, de exemplu, prin hipertermie, incalzirea locala a tumorilor pana la distrugerea tesuturilor alterate, utilizandu-se nanoparticule metalice cu suprafete functionalizate cu anticorpi si alti radicali cu proprietati de recunoastere moleculara.
In domeniul tehnologiilor IT de varf, sau in domeniul industriei auto a viitorului, la fel, nanotehnologiile si utilizarea materialelor la scala nanoscopica vor deveni componente predominante. Datorita gradului de noutate al aplicatiilor nanomaterialelor, studiile clinice de impact al acestora asupra populatiei nu sunt inca decat la stadiu de supozitie, fiind cunoscut faptul ca pentru o corecta estimare statistica a efectelor nanomaterialelor asupra organismului uman, sunt necesare observatii clinice pe durate intinse pana la zeci de ani. De aceea, dezvoltarea de noi clase de nanomateriale, in opinia mea, trebuie sa mearga in paralel cu evaluarea impactului asupra sanatatii populatiei.
La nivel european este intr-adevar nevoie de actiuni concertate de testare intensiva in vederea omologarii unor astfel de produse si evident reglementat regimul de proprietate a patentelor respective si de utilizare a acestora in aplicatii tehnologice sigure pentru populatie.
Impactul deosebit pe care aceste noi tehnologii l-ar avea asupra nivelului de viata, justifica pe deplin, dupa parerea mea, costurile suplimentare necesare testarilor de impact asupra mediului si a celor clinice de evaluare a influentei asupra organismului uman.
Dr. Ovidiu Crisan este cercetator stiintific I in cadrul Institutului National de C-D pentru Fizica Materialelor, Bucuresti. Absolvent al Facultatii de Fizica a Universitatii Bucuresti in anul 1993, si-a sustinut teza de doctorat in anul 1998 la Universitatea din Rouen, Franta, cu o lucrare pe tema influentei elementelor de pamanturi rare asupra proprietatilor magnetice ale aliajelor nanocristaline. A efectuat mai multe stagii post-doctorale in laboratoare de prestigiu din Israel, Franta, Grecia, Italia, Polonia, Germania si Anglia. Dr. Crisan a fost distins de catre ANCS in anul 2000 cu Diploma de Excelenta in Activitatea Stiintifica. In anul 2006 a primit Premiul Academiei Romane, Sectia Stiinte Fizice, “Horia Hulubei” pentru lucrarile sale in domeniul nanomaterialelor si nanotehnologiilor aplicate in domeniul magnetismului.
Are la activ peste 60 de lucrari si capitole de carti publicate, din care peste 50 in jurnale stiintifice din strainatate. Biografia sa a fost inclusa in volumul din 2008 al Who’s Who in Science and Engineering. Este conducator al mai multor proiecte de cercetare nationale si europene, in cadrul Programului Cadru 7 si expert referent la edituri stiintifice de prestigiu (Elsevier, Springer, Institute of Physics, UK, etc.).
INTERVIURILE HotNews.ro