Niewidoczne dobrodziejstwo

Kiedy wstajemy, nanotechnologia jest zapewne ostatnią rzeczą, o jakiej myślimy. Popijając w pośpiechu kawę, zastanawiamy się raczej, w co ubrać się do pracy. Czy przydadzą się po drodze nieprzemakalne buty? Panie nakładają makijaż lub przynajmniej dopasowany do potrzeb skóry krem. Ponieważ w pracy spędzamy sporo czasu przed komputerem, to w wolnej chwili wypadałoby się trochę poruszać. Dlatego partyjka tenisa czy przejażdżka rowerem dobrze nam zrobią. Po powrocie do domu bierzemy szybki prysznic, wrzucamy ubrania do pralki i otwieramy lodówkę, szukając inspiracji na pyszną kolację. I chociaż nie zdajemy sobie z tego sprawy, to istnieje spore prawdopodobieństwo, że nanotechnologia towarzyszyła nam przy wszystkich tych czynnościach.

Nanokosmetyki

Bardzo popularnymi kremami wykorzystującymi nanotechnologię są te przeciwsłoneczne z dodatkiem nanocząstek tlenku cynku (ZnO) lub ditlenku tytanu (TiO₂). W przeciwieństwie do kosmetyków z filtrami chemicznymi (np. awobenzonem), które częściowo pochłaniają promieniowanie UV, zanim dotrze ono do naszej skóry, produkty oparte na nanotechnologii to tzw. fizyczne filtry UV. Szkodliwe promieniowanie jest w nich jednocześnie pochłaniane, rozpraszane i odbijane przez nanocząstki i tylko niewielka jego część przedziera się przez taką barierę. Warto dodać, że mikrocząsteczki ZnO i TiO₂ dodawano do kremów przeciwsłonecznych starszej generacji. Nie chroniły jednak przed promieniowaniem UV tak dobrze jak ich następcy oraz tworzyły białawą warstwę na skórze (w mikroskali wymienione tlenki są właśnie białe i dopiero w postaci nanocząstek stają się przezroczyste).

Z dobrodziejstw nanotechnologii korzystają takie giganty na rynku kosmetycznym jak Johnson & Johnson, Estée Lauder, Avon, Nivea, La Prairie, L’Oréal czy nasza Dr Irena Eris. W luksusowych kremach przeciwzmarszczkowych wykorzystuje się nanocząstki złota, które przeciwdziałają reakcji glikacji kolagenu (proces łączenia cząsteczek glukozy z białkami) i tworzeniu się wolnych rodników, hamując tym samym starzenie się skóry. W innych kremach o ściśle określonym działaniu stosuje się polimerowe nanokapsułki, dostarczające aktywne składniki głęboko w warstwy skóry i zwiększające tym samym ich właściwości pielęgnujące. Nanokapsułki mają przy tym zdolność przenoszenia wyciągów roślinnych, składników mineralnych, witamin i aminokwasów, co daje wręcz nieograniczone możliwości tworzenia nowych kosmetyków.

Ważnym nanomateriałem jest srebro. Ponieważ ma właściwości antybakteryjne i przeciwgrzybiczne, służy jako dodatek do kosmetyków przeznaczonych dla osób mających problemy ze skórą (np. łojotokowym zapaleniem, grzybicą stóp i paznokci). Ze względu na swoje rozmiary nanocząstki srebra mogą swobodnie przenikać do wnętrza bakterii (im są mniejsze, tym większa ich skuteczność), gdzie destabilizują różne struktury i zapobiegają powielaniu DNA, co skutkuje obumieraniem drobnoustrojów. Drobiny srebra skutecznie niszczą kilkaset rodzajów bakterii i grzybów. Istotne przy tym jest to, że dotychczas nie stwierdzono zjawiska uodporniania się bakterii na nanosrebro.

Nanocząstki srebra trafiają więc do coraz większej liczby produktów – od antyperspirantów przez kremy do twarzy i stóp po szampony do włosów i żele pod prysznic. Dodaje się je także do past do zębów – likwidując bakterie, nanosrebro obniża wytwarzanie rozpuszczającego tkankę zębów kwasu mlekowego i, co za tym idzie, zmniejsza ryzyko powstawania próchnicy i chorób przyzębia. Oprócz nanocząstek srebra w pastach do zębów można znaleźć drobiny hydroksyapatytu, czyli bogatego w wapń minerału, który występuje naturalnie w naszych kościach i zębach. Podczas szczotkowania nanocząstki te wnikają w szkliwo, wypełniając wszelkie mikrouszkodzenia (wyrównują tym samym jego powierzchnię i koloryt) oraz uszczelniając kanaliki zębiny (eliminują dzięki temu przyczynę nadwrażliwości zębów). Pasty do zębów na bazie nanocząstek srebra i hydroksyapatytu są produkowane m.in. przez polską firmę Nantes.

Sportowe rekordy

Nanocząstki TiO₂ i SiO₂ (ditlenek krzemu) mają właściwości hydrofobowe (odpychające wodę), są więc świetnymi kandydatami do wytwarzania wodoodpornych i samooczyszczających się powierzchni. Wiele firm oferuje spreje, lakiery i farby zawierające drobiny TiO₂ lub SiO₂. Wystarczy spryskać szybę samochodu lub pomalować elewację takim specyfikiem, by zyskały właściwości hydrofobowe. Podobnie jak nanocząstki srebra, drobinki TiO₂ dodaje się także do tkanin, z których szyte są stroje dla piłkarzy, co sprawia, że stają się one wodoodporne. Z kolei nanosrebro wskutek właściwości antybakteryjnych likwiduje przykry zapach potu. Dzięki nanotechnologii piłkarze mogą liczyć też na skuteczną ochronę przed bolesnymi kopnięciami. Osłony goleni wzmacnia się bowiem nanostrukturalnymi tworzywami sztucznymi, które są jednocześnie lekkie i bardzo wytrzymałe.

Nanotechnologia zagościła na dobre także na innych obiektach sportowych. Rakiety tenisowe wykonane z grafitu i wzmocnione nanorurkami węglowymi są lżejsze i mocniejsze niż tradycyjny sprzęt. Niektóre z nich zawierają dodatkowo grafen, który zmniejsza odczuwane przez tenisistę drgania. Grafenowej rakiety firmy Head używa m.in. Marija Szarapowa. Elementy grafenowe można znaleźć także w nartach i deskach snowboardowych, a nanorurki węglowe – w ramach rowerów i kijach golfowych. Floyd Landis (ostatecznie zdyskwalifikowany zwycięzca Tour de France 2006) korzystał z roweru, którego konstrukcję wzmocniono właśnie nanorurkami węglowymi, co pozwoliło na zmniejszenie masy ramy roweru do 1 kg.

Za niezwykłą wytrzymałością i lekkością przedmiotów wykonanych z nanostruktur węglowych kryje się wyjątkowa aranżacja atomów węgla w przestrzeni. Pierwiastek ten tworzy sieć krystaliczną na dwa sposoby: albo strukturę o geometrii czworoboku, albo sześciokątne płaskie „komórki plastra miodu”. Pierwsza struktura to diament, druga to grafit, który tylko z pozoru jest miękki i łupliwy. Składa się on bowiem z wielu „komórek”, których warstwy ślizgają się po sobie, bo wiązania między nimi są wielokrotnie słabsze niż pomiędzy atomami w komórkach plastra. Pojedynczy plaster, czyli grafen, jest za to bardzo wytrzymały. Z kolei nanorurka węglowa to nic innego jak zwinięty w rulon grafen. A ponieważ jest pusta w środku, to w 99% składa się z… powietrza. Ot, cały sekret lekkich jak piórko rakiet tenisowych i ram rowerowych.

Nanotechnologia wygina i zmniejsza elektronikę

Grafenem pokryto także charakterystycznie wygięte ekrany telefonów LG G Flex i Samsung Galaxy Round. Grafen wzmacnia wyświetlacz, co sprawia, że jest on odporny na zadrapania i nie pęka w czasie deformacji. Zastosowanie podobnych rozwiązań planuje się także w laptopach. Tymczasem amerykańska firma Nantero we współpracy z japońskim gigantem Fujitsu chce jeszcze w tym roku wypuścić na rynek moduł pamięci nano-RAM oparty na nanorurkach węglowych, co pozwoli na konstruowanie szybszych i mniejszych komputerów oraz ograniczy ich zapotrzebowanie na energię. A wszystko dzięki wyjątkowym właściwościom elektrycznym nanorurek. Każdy z tworzących nanorurkę atomów węgla ma jeden wolny elektron. W efekcie są w stanie – w zależności od budowy – przewodzić prąd elektryczny jak metale lub zachowywać się jak półprzewodniki. Właściwości te wykorzystano już dwie dekady temu do budowy pierwszych tranzystorów o nanometrowych rozmiarach. Powstał m.in. element, który do zmiany stanu (włączony/wyłączony) potrzebuje tylko jednego elektronu. Już wtedy zakładano, że urządzenia te posłużą w przyszłości do budowy bramek logicznych modułów pamięci i mikroprocesorów.

Przewiduje się, że niedługo nanostruktury węglowe całkowicie zastąpią technologie krzemowe w układach elektronicznych. Jest to konieczne, gdyż dalsza miniaturyzacja układów scalonych opartych na krzemie wkrótce napotka fizyczne ograniczenia.

Druga strona medalu

Mimo że nanotechnologia staje się z dnia na dzień coraz dostępniejsza, to bezpieczeństwo jej stosowania nie zostało do końca zbadane. Ze względu na swoje rozmiary nanocząstki mogą dostać się do organizmu, odkładać w organach, powodować nieodwracalne i nie do końca zrozumiałe zmiany na poziomie komórkowym. Staje się to szczególnie ważne w przypadku kosmetyków nakładanych na skórę.

Chociaż badania tej kwestii są nadal skąpe, to niektóre z nich wykazały, że blokujące promieniowanie UV nanocząstki TiO₂ i ZnO mogą również katalizować wytwarzanie wolnych rodników, co prowadziłoby do zwiększonego ryzyka uszkodzenia komórek i raka skóry. To sprawia, że ocena skuteczności kremu jest bardzo trudna, ponieważ rak skóry może być przecież spowodowany promieniowaniem UV, przed którym de facto mają nas chronić nanocząstki. Kwestią sporną pozostaje także to, czy nanocząstki TiO₂ i ZnO wnikają przez skórę do krwiobiegu. Niektóre badania sugerują, że taki scenariusz jest możliwy, inne wykazały, że tylko nanocząstki o średnicy mniejszej niż 30 nm mają zdolność pokonania bariery skóry. A ponieważ w kremach przeciwsłonecznych stosuje się drobiny o średnicy większej, to ich producenci zapewniają, że możemy spać spokojnie.

***

Nanotechnologia – wiedza w pigułce

Nanotechnologia zajmuje się obiektami o rozmiarach od 1 do 100 nm (1 nm to 10-9 m). Oprócz kryterium rozmiaru nanocząstki muszą spełniać jeszcze jeden warunek – ich właściwości w nanoskali muszą być zupełnie inne, niż gdy materiały te występują w postaci mikrocząstek czy makrocząstek. I tak np. złoto w nanoskali nie ma połysku, jest bardzo reaktywne i charakteryzuje się niezwykłymi właściwościami optycznymi – w zależności od rozmiaru nanocząstek może przyjmować barwę czerwoną lub fioletową. Z kolei węgiel w postaci nanorurek ma przewodność wielokrotnie większą od miedzi oraz wytrzymałość wyższą od stali.

***

Nanotechnolodzy przez przypadek

Z niezwykłych właściwości nanocząstek korzystano już w starożytności. Oczywiście nasi przodkowie nie do końca zdawali sobie sprawę, z czym mają do czynienia. I tak np. nanocząstki złota i srebra były używane do wyrobu ozdobnych naczyń (kielich Likurga) czy produkcji witraży. Nanorurki węglowe z kolei przyczyniły się do powstania niezwykle wytrzymałej stali damasceńskiej. Natomiast za intensywną i trwałą barwą sławnej farby Majów stoi niezwykła procedura jej przygotowania, w której to cząsteczki barwnika indygo zostawały uwięzione pomiędzy nanoporami gliny – pałygorskitu.

***

Ukryta prawda

Nanocząstki powstają również podczas różnych naturalnych procesów. Znajdziemy je w popiołach wulkanicznych, w aerozolu oceanicznym, pyle kosmicznym, a nawet w materiale biologicznym. Piękne metaliczne barwy motyli z rodziny Morpho powstają dzięki chitynowym nanostrukturom znajdującym się na powierzchni skrzydeł. Woskowe nanokryształy pokrywające liście lotosu nadają mu właściwości hydrofobowe i samooczyszczające. Niezwykła wytrzymałość pajęczej nici jest natomiast wynikiem wyjątkowej aranżacji składających się na nią białek. Chociaż niełatwo skopiować miliony lat ewolucji, to naukowcy często czerpią inspirację z natury, by tworzyć ekologiczne nanotechnologie. I tak np. wodoodporne materiały powstały na wzór liści lotosu, a ze sztucznej pajęczej nici mają być produkowane linki spadochronowe.

***

Nanoprodukty ze srebrem

Na rynku obecnych jest ponad 1500 produktów opartych na nanotechnologii, przy czym aż jedna czwarta z nich zawiera nanocząstki srebra. Drobiny te można znaleźć chociażby w domowych filtrach do oczyszczania wody. Zawarty w nich węgiel aktywny jest impregnowany nanosrebrem, które zabija bakterie. Ponadto nanocząstkami srebra pokrywa się klawiatury komputerów, ekrany telefonów, pojemniki na żywność oraz wszelkiego rodzaju sprzęt AGD (np. lodówki) i łazienkowy (np. kabiny prysznicowe). Dodaje się je do materiałów, z których szyje się bieliznę, odzież sportową czy wykonuje dywany. Można je znaleźć także w proszkach do prania i płynach do płukania (produkowanych m.in. przez polską firmę VinSvin).

***

Przepis na nanocząstkę

W produkcji nanocząstek stosuje się dwie podstawowe strategie: top-down i bottom- up. Pierwsza polega na mechanicznym kruszeniu materiału wyjściowego. W drugiej nanostruktury buduje się za pomocą procesów chemicznych z molekuł o odpowiednim składzie chemicznym. Wybór procesu zależy od tego, jakie cechy mają mieć pozyskane nanocząstki. Użycie młynów do kruszenia daje sproszkowane produkty o bardzo zróżnicowanej wielkości cząstek. Ta metoda nie pozwala więc na pełną kontrolę ich morfologii. W bottom-up panujemy nad rozmiarem i kształtem nanostruktur, a także możemy modyfikować ich powierzchnię różnymi grupami funkcyjnymi. Pozwala to na uzyskanie gotowego produktu o określonych właściwościach.