Doc. dr. Maja Remškar je vodja Laboratorija za sintezo anorganskih nanocevk in vrvic na Odseku za trdno snov, na Institutu Jožef Stefan. Z nanotehnologijo se ukvarja že več kot deset let. Pri svojem delu se posveča tudi raziskavam toksičnosti nanomaterialov in vzpostavljanju ukrepov za varno delo z njimi. V juniju 2009 je prejela Preglovo nagrado za izjemne dosežke. Z njo smo se pogovarjali o nanodelcih in njihovem vplivu na kakovost zraka v prostoru.
doc. dr. Maja Remškar
Kaj so nanodelci in kakšne so njihove lastnosti?
Nanodelec je delec, ki je manjši od sto nanometrov (en nanometer je miljardinka metra) v treh dimenzijah. Je kot majhno riževo zrno, majhna kroglica, lahko je tudi nitka, ki je v eni dimenziji dolga, v prečnem premeru pa je manjša od sto nanometrov. Nanodelci so tudi zelo tanke luske, ki imajo velike površine, njihova debelina pa je manj kot sto nanometrov. Mejno velikost 100 nanometrov so določili strokovnjaki s področja znanosti o materialih in zdravniki, ki proučujejo prve učinke nanodelcev na živo celico.
Nanodelci so majhni, lebdijo v zraku, dosegajo hitrosti do več m/s in trkajo z molekulami zraka. Dosežejo vse kote prostora, ki je na razpolago, imajo pa tudi posebne fizikalne in kemijske lastnosti, kot so t.i. kvantni učinki. Zato se te delce v zadnjih letih v okviru razvijajoče se nanotehnologije tudi namensko proizvaja.
Nanodelci TiO2, združeni v ohlapno vezan skupek. Slika je posneta s presevno elektronsko mikroskopijo.
Kateri nanodelci so nevarni, kako lahko vplivajo na zdravje?
Varnih nanodelcev ni. Njihova glavna lastnost je predvsem ta, da so majhni in lahki, da lahko dolgo časa lebdijo v zraku. Zaradi velikega števila atomov na površini, ki nimajo vseh sosednjih atomov in zato tudi ne zapolnjenih kemijskih vezi, imajo nanodelci povečano kemijsko aktivnost. Pomembna je seveda tudi kemijska sestava. Kadmij, na primer, je strupen material v vseh dimenzijah, nekatere spojine pa postanejo nevarne šele, če so delci zelo majhni. Titan dioksid v večjih dimenzijah ni nevaren, v premerih pod dvesto nanometrov pa je močan oksidant organskih molekul. Zlato, ki je v večjih dimenzijah kemijsko neaktivno, pri premerih okrog deset nanometrov postane tako reaktivno, da ga lahko uporabljamo kot katalizator.
Tudi zlato postane kemijsko aktivno, ko so delci manjši od nekaj deset nanometrov.
Poleg namensko narejenih nanodelcev moramo biti pozorni tudi na nenamensko proizvedene nanodelce, še posebej v gradbeništvu, ki nastajajo kot stranski produkt proizvodnje oz. rušenja objektov, betoniranja, brušenja, rezanja, mletja, lomljenja, menjave kritin (posebno azbestnih) in tudi brušenja sten za končno obdelavo. Pri vseh teh postopkih nastajajo nanodelci, ki gredo v prostor.
V človeško telo pridejo nanodelci skozi kožo, prebavila in predvsem dihala. Na vse tri načine lahko pridejo v krvni obtok, vse več pa je tudi izsledkov, da lahko iz krvnega obtoka ali prek živčnih poti zaidejo tudi v možgane. Obremenjujejo in poškodujejo lahko pljuča ter vplivajo na bolezni srca in ožilja. 70-nanometrski delci prodrejo v pljučne mešičke, 50-nanometrski delci prodrejo v celice in 30-nanometrski delci prodrejo v celično jedro. Zaradi zapletenosti raziskav zaenkrat še ni podatkov o potovanju delcev, manjših od 20 nm. V ozračju je veliko nanodelcev, ki skrajšujejo našo življenjsko dobo. Kovinski nanodelci iz čiste kovine se v telesu deloma raztapljajo (povzročajo dolgotrajnejše učinke rahle strupenosti), medtem ko so kovinski oksidi v telesu veliko manj topni in se samo nalagajo. Če primerjamo ogljik iz dizelskih motorjev ali od gorenja, se ga iz telesa izloči polovica v štirih mesecih (razpolovna doba), medtem ko kovinski oksidi, npr. azbesti, za vedno ostanejo v telesu.
V notranjih prostorih preživimo veliko časa. Od kod nanodelci izvirajo, kako vplivajo na kakovost zraka, ki ga dihamo?
V notranjih prostorih je precej velika koncentracija nanodelcev že zaradi t.i. ozadja. Ti delci, ki so vedno prisotni v zraku, so predvsem posledica gorenja in izpuhov avtomobilskih motorjev, predvsem dizelskih. Naravno proizvedeni nanodelci nastanejo kot posledica vulkanskih izbruhov, erozij ali puščavskega prahu. Tudi virusi so naravno proizvedeni nanodelci, vendar je njihov delež v prostoru precej manjši od delcev zaradi gorenja. V nekem stanovanju v mestu je od 10 tisoč do 40 tisoč nanodelcev v cm3 zraka. Na podeželju je to število nekoliko manjše, veliko več je bioloških nanodelcev, medtem ko v mestu prevladujejo delci, ki izvirajo iz prometa: izpuhi iz motorjev, obrabe gum in zavornih ploščic, katalizatorji ter iz gorenja (izgorevanje biomase in fosilnih goriv) oz. so posledica industrijske proizvodnje. Nanodelci pridejo v prostor tudi iz odprtih kaminov, zelo priljubljene so tudi sveče (v lokalih in doma), ki sproščajo zelo velike količine nanodelcev, premera 20–30 nm. Dokazano je, da nanodelci ogljika skrajšujejo življenjsko dobo in povzročajo bolezni srca in ožilja.
Nanodelci ogljika, ki se sproščajo v prostor pri gorenju navadne sveče. Slika je posneta z vrstično elektronsko mikroskopijo.
Kajenje je, kot vemo, toksično, kancerogeno, v cm3 izdihanega zraka kadilcev je 100 milijonov nanodelcev. V vdihanem zraku kadilcev so nanodelci mešani z večjimi delci, ki se tudi nalagajo v pljučih in so kemijsko manj aktivni, vendar so veliko bolj obremenilni zaradi nalaganja v pljučih. Toksično je tudi pasivno kajenje, kjer je delež nanodelcev v vdihanem zraku povečan. Še posebej so občutljivi otroci. V prostoru, kjer je nekdo kadil, ostajajo nanodelci v ozračju tudi po več tednov.
Največji onesnaževalci, predvsem v prometu so dizelski avtomobili, poleg avtomobilov za zasebno rabo tudi vsa tovorna vozila na dizelski pogon. Še posebej pri objektih, kot so bolnišnice za pljučne bolezni, šole ali zdravilišča, naj bi bila parkirišča odmaknjena stran od glavnih stavb, kjer so bolniki. V Veliki Britaniji so raziskave na primeru otrok, starih do pet let, ki so jih starši pripeljali k zdravniku zaradi kašljanja in niso kazali drugih bolezenskih znakov, pokazale, da se je zemljevid popisa bivališč teh otrok povsem pokrival z zemljevidom večjih cest v mestu.
Znotraj prostorov je čedalje več nanodelcev nanotehnološkega izvora. Imamo že kar nekaj čistil in dekorativnih premazov, narejenih na osnovi nanotehnologije in jih uporabljamo, ne da bi se zavedali, da v prostor vnašamo nekaj, kar ni nujno vedno zdravo, še posebej, če pride do mehanskih obremenitev. Pri čiščenju se že uporabljajo kemikalije, ki vsebujejo nanodelce, še posebej zaradi antibakterijskih učinkovin. Moderni premazi vsebujejo npr. nanodelce silicijevega oksida, kositrovega oksida, ki delujejo protirefleksivno. Če s takim premazom namažemo tla iz brušenega kamna, zmanjšamo refleksijo tal, barve kamna postanejo lepo vidne in zelo žive. Hkrati ti premazi povečajo odpornost proti razenju. Vendar pride pri mehanskem brušenju takih tal in tudi med stalno uporabo tal, med hojo, do sproščanja teh delcev v ozračje. Nekateri premazi, ki se npr. uporabljajo v kopalnicah za povečanje vodoodbojne funkcije, da se kapljice enostavno odkotalijo po ploščicah ali steklu navzdol, so narejeni na osnovi nanotehnologije. S sabo poberejo vso umazanijo, vendar ne puščajo madežev raztopljenih mineralov na površini. Tako nanesemo tanko plast nanodelcev na površino keramike ali stekla.
Kje vse se v domačem ali delovnem prostoru nanodelci lahko nahajajo in kako se pred njimi lahko zavarujemo?
Doma sedaj uporabljamo pralne praške, v katerih so namesto fosfatov zeoliti, to so kristali z nanometrskimi porami, ki jih je iz tkanin težko odstraniti. Prodajajo posteljnino in žimnice, obdelane z nanosrebrom, drobnimi delci srebra, ki imajo antibakterijsko funkcijo, vendar so na žalost izredno toksični. Prodiranje nanosrebra v človeški organizem bi morali preprečiti, čeprav trenutno ni na tem področju nobene zakonodaje in se ga množično prodaja. Uporablja se tudi pri športnih oblačilih in za impregnacijo notranjih vložkov za čevlje, ker pobija bakterije in s tem odpravlja neprijeten vonj.
Če prah odstranjujemo s sesalnikom, ki ni opremljen s HEPA (High Efficiency Particulate Air) filtri ali filtri niso redno menjani, že poseden prah, združen v skupke, ponovno razdružimo in sproščamo v ozračje. Filtriran mora biti tako zrak, ki gre skozi sesalec, kot tudi zrak, ki obliva motor zaradi hlajenja. Priporočljivo je tudi mokro čiščenje. Glede uporabe kaminov v prostorih je priporočljivo, da so kamini zaprti s steklenim zaslonom, kar pripomore h kakovosti zraka.
Veliko ljudi ne mara zaves, posebej v delovnih prostorih, ker se na njih nabira prah. Če se le-ta ne bo nekje nabiral, bo v ozračju. Prah z zaves odstranjujemo s pranjem.
V drugih bivalnih prostorih, na primer javnih objektih, kjer je zrak filtriran s centralnimi klimatskimi napravami, moramo skrbeti za redno menjanje filtrov. Pri tem ne smemo varčevati.
V delovnem okolju bi izpostavila delavnice oz. okolja v gradbeništvu, kjer pride do mletja, brušenja, rezanja, podiranja objektov, do sproščanja velikih količin prahov, ki vsebujejo tudi frakcije nanodelcev. Pri delu naj bi uporabljali maske. V notranjih prostorih bi morali skrbeti za odsesavanje vseh prahov iz delovnega okolja, za filtriranje zraka s HEPA filtri in redno menjavo le-teh. Najmanjši nanodelci ostanejo v ozračju tudi več tednov. Čistilne službe bi morale skrbeti za zaščito ljudi, ki čistijo prostore, kjer pride do prašenja. Velikokrat so že osnovni materiali impregnirani z različnimi nanodelci, česar se ljudje, ki čistijo, sploh ne zavedajo.
Nanodelci kvarza, ki so pogosto prisotni v zraku ob gradbenih delih, npr. miniranju, brušenju, rezanju, podiranju, itd.
Eni največjih onesnaževalcev delovnega okolja so zagotovo laserski tiskalniki. Navadno so najbolj ogrožene službe, ki skrbijo za namizno založništvo. Poskrbeti bi morali za odsesavanje nanoprahov.
Poleg prvomajskih kresovanj in prižiganja sveč za prvi november so veliki onesnaževalci okolja tudi ognjemeti. Barve, ki jih vidimo, so predvsem kovine, nekatere so že same po sebi toksične. V zrak spuščamo velike količine nanodelcev kovin, ki oksidirajo in takrat zažarijo. Viri onesnaževanja so tudi namenske eksplozije pri vojaških vajah ali v vojnah, kjer se sproščajo v ozračje velike količine izredno toksičnih nanodelcev. V ozračju ostajajo še tedne, mesece, še posebno v bolj suhih predelih Male Azije, medtem ko imamo pri nas srečo, da nanodelce iz ozračja spere dež.
Dež je najboljši čistilec ozračja. Tudi v notranjih prostorih, kjer bi lahko prišlo do sproščanja delcev, bi bilo dobro, da bi namestili tuše, ki bi enostavno sprali ozračje.
Na kaj moramo biti pozorni v gradbeništvu?
Pozorni moramo biti na uporabo materialov, ki so nujni, in na uporabo novih tehnoloških izdelkov. Vsakič moramo pretehtati pozitivne plati estetike in ceno, ki jo moramo zanjo plačati. Treba je proučiti celoten življenjski ciklus izdelka. Od tega, da bo npr. določena tla ali stene čez nekaj let treba brusiti in takrat se ne bomo več zavedali, da je bil določen nanotehnološki izdelek uporabljen, do tega, da lahko pride tudi do nenadzorovanih rušenj oz. naravnih nesreč, kot so bile npr. lanske ujme v Sloveniji, ko so ljudje azbestne strehe množično odstranjevali brez zaščite. Država ni bila pripravljena na tako veliko nesrečo in pristojne službe niso izvajale primernih ukrepov za zaščito ljudi. Vsepovsod, kjer lahko pride do masivnega prašenja, od eksplozij v kamnolomih do različnih rezanj, mletij, brušenj, prevozov itd., je potrebna previdnost. Treba je zmanjševati količino prahu v ozračju in na nek način zaščititi ljudi – delavce, čistilce in tudi neposredno okolico.
Kako nanodelce zaznavamo oziroma kako jih merimo?
Nanodelcev ne moremo neposredno videti, razen z vrhunskimi elektronskimi mikroskopi. V zadnjih letih edina aparatura, ki se za to področje uporablja, temelji na kondenzaciji vode oz. druge tekočine na delcih. V detektorjih nanodelcev umetno povzročimo kondenzacijo vode na nanodelcih. Okrog njih zraste večja kapljica, do premera nekaj mikronov. To je že dimenzija, ki se jo da izmeriti. Te kapljice se v ozračju enostavno prešteje, vsaka kapljica ima svoj nanodelec. Druge vrste detektor, imenovan impaktor pa deluje tako, da vodimo zrak, ki vsebuje nanodelce, okrog ovinkov, pri tem se težji delci na zelo ostrem ovinku zaletijo v steno. Manjši delci gredo naprej, kjer jih čaka še bolj oster ovinek in tam se zopet nekaj večjih delcev iz te frakcije zaleti in tam obstane. Tako po ovinkih oz. kolonah vodimo vedno manjše delce, nato pa odtehtamo, koliko se jih je na določenem ovinku zaletelo. S tem dobimo t.i. številčno porazdelitev delcev po velikosti. Vendar so pri najmanjših delcih te metode zelo sporne, ker delci zelo malo tehtajo, tako da je napaka velika. Edini detektor s številčno porazdelitvijo delcev je kondenzacija neke tekočine na delcih in potem štetje kapljic. V Sloveniji imamo sedaj prvi detektor. Ni še čisto popoln, ker se za selekcijo delcev po velikosti uporablja radioaktivno nabijanje (gre sicer za zelo šibek radioaktiven izvor), ampak zaradi zelo strogih predpisov na tem področju ga zaenkrat še nimamo, čakamo na radioaktivni izvor. Sicer delamo številčne porazdelitve delcev po velikosti, vendar ne moremo s 100-odstotno zanesljivostjo trditi, da so to čisto prave meritve. Razvoj tovrstnih aparatur je še na začetku in je hkrati tudi zelo velika tržna niša tako za razvojnike kot za prodajalce teh aparatur v Sloveniji.
V prihodnosti naj bi namreč imeli detektorje nanodelcev vsepovsod – v pisarnah, v šolah, v bolnišnicah. Tako kot imamo sedaj v prostorih detektorje dima/požara, tako bomo imeli detektorje delcev v bivalnem in v splošnem okolju.
Kdo se pri nas ukvarja s področjem nanovarnosti? Kdaj lahko pričakujemo predpise o dopustnih mejnih vrednostih nanodelcev, kako naj ravnamo do takrat?
Pri nas je za to področje zadolženo Ministrstvo za zdravje RS, Urad za kemikalije. Tam je tudi centralna točka za dajanje informacij v zvezi s tem. Predpisa ne pričakujemo do leta 2013, ker smo povezani z Evropsko unijo, ki ta predpis odlaga na omenjeno leto. Obstajajo tudi veliki pritiski Evropskega parlamenta, da bi se ponovno proučilo mejne vrednosti in mejne količine določenih substanc v prodajnih artiklih tudi s stališča velikosti delcev. Sedaj so te vrednosti samo masne, npr. toliko gramov na toliko proizvoda je dopustno, ni pa številčnih porazdelitev po velikosti. Ker je vse več informacij, da so nanodelci res toksični, Evropski parlament pritiska na Evropsko komisijo, da bi šel predpis v postopek sprememb.
Do takrat je predvsem treba paziti, da vedno pretehtamo pozitivne in negativne plati, preden se odločimo za proizvodnjo oz. nakup določenih izdelkov, premisliti moramo celoten življenjski ciklus izdelka in tudi snovi, na katere ta izdelek nanašamo. Seveda je treba vedno gledati pozitivno tudi s stališča nanotehnologij, ki bodo prinesle veliko novega tudi z vidika trajnosti življenjske dobe izdelkov. Če bo nek izdelek trajnejši, če bo potrebnih manj posegov v določen prostor, bomo na drugi strani pridobili nekaj pozitivnega. Na vse moramo gledati celovito.
V primeru prašenja uporabimo maske, tuše, zmanjšati je treba izpostavljenost ljudi vdihavanju teh prahov. Tudi kurjenje na prostem je v tujih državah večinoma že zelo dobro predpisano, pri nas pa še ni. In tudi peči, recimo, ki dosegajo pri gorenju dovolj visoke temperature, da ogljik v celoti zgori v ogljikov dioksid, so s stališča nanodelcev gotovo pozitivne. Navadna kurišča, ki sproščajo velike količine nanodelcev v okolje, pa so problematična, še posebej npr. v bližini Bolnišnice Golnik.
Nanodelci in življenje z njimi v prihodnosti?
Nanodelci bodo preželi vse naše dejavnosti, povsem bodo spremenili naše dojemanje zdravega okolja. Še vedno se vidi močan pritisk ljudi na mesta, ljudje nimajo nobenih pomislekov, da živijo v stanovanjskih objektih ob glavnih prometnicah v mesto.
Možni sta dve poti. Prva je, da se v prihodnosti ne bodo več uporabljali avtomobili z notranjim izgorevanjem, druga pot pa je, da bodo ljudje postali tako ozaveščeni, da se bodo izselili s teh področij.
Gostinski objekti v bližini velikih prometnic so ekološko zelo sporni. Ljudje tam sedijo ure in ure in vdihavajo močno onesnažen zrak. Kar se tiče varstva otrok in zdravega življenjskega okolja upam, da bodo ljudje skušali najti bivališča stran od glavnih prometnic.
Nam lahko predstavite najnovejša odkritja in projekte, s katerimi se trenutno ukvarjate?
Poleg problematike nanodelcev z vidika varnosti je moje področje sinteza nanomaterialov. Tudi nanodelce je možno sintetizirati na tak način, da ohranimo njihove fizikalne in kemijske lastnosti, po drugi strani pa preprečimo, da bi se sproščali v okolje. V zadnjih dveh letih smo razvili povsem nove materiale, tako imenovane «mama« tube. To so zelo drobne cevke, v katerih so še bolj drobne kroglice molidenovega disulfida, ki je trenutno najboljše mazivo na svetu. Moliden disulfid je spojina, ki se uporablja za industrijska maziva že več desetletij, hkrati se uporablja pri razžvepljevanju nafte. Manjši kot so delci, več je aktivnih mest na površini te spojine. Zaradi tega je priporočljivo, da so delci čim manjši. Vendar nismo kar zmanjševali vseh treh dimenzij, da bi dobili nek droben prah. Razvili smo cevke, v katerih so kroglice tega materiala. Zaradi tega aktivna mesta za kemijsko reakcijo ostajajo, vendar se delci ne morejo sproščati v okolje. Industrijska maziva bodo zmanjševala trenje, na površini orodij oz. kovin, ki bodo v stiku trenja, pa bodo naredila tanko zaščitno protikorozijsko plast. S tem bodo podaljševala življenjsko dobo vseh materialov v stiku ter zmanjševala trenje. Predvidevamo velike prihranke energije.
Mojca Polanc Govekar
Fotografije: arhiv Maje Remškar
arhiv IMC, d. o. o.
doc. dr. Maja Remškar
Kaj so nanodelci in kakšne so njihove lastnosti?
Nanodelec je delec, ki je manjši od sto nanometrov (en nanometer je miljardinka metra) v treh dimenzijah. Je kot majhno riževo zrno, majhna kroglica, lahko je tudi nitka, ki je v eni dimenziji dolga, v prečnem premeru pa je manjša od sto nanometrov. Nanodelci so tudi zelo tanke luske, ki imajo velike površine, njihova debelina pa je manj kot sto nanometrov. Mejno velikost 100 nanometrov so določili strokovnjaki s področja znanosti o materialih in zdravniki, ki proučujejo prve učinke nanodelcev na živo celico.
Nanodelci so majhni, lebdijo v zraku, dosegajo hitrosti do več m/s in trkajo z molekulami zraka. Dosežejo vse kote prostora, ki je na razpolago, imajo pa tudi posebne fizikalne in kemijske lastnosti, kot so t.i. kvantni učinki. Zato se te delce v zadnjih letih v okviru razvijajoče se nanotehnologije tudi namensko proizvaja.
Nanodelci TiO2, združeni v ohlapno vezan skupek. Slika je posneta s presevno elektronsko mikroskopijo.
Kateri nanodelci so nevarni, kako lahko vplivajo na zdravje?
Varnih nanodelcev ni. Njihova glavna lastnost je predvsem ta, da so majhni in lahki, da lahko dolgo časa lebdijo v zraku. Zaradi velikega števila atomov na površini, ki nimajo vseh sosednjih atomov in zato tudi ne zapolnjenih kemijskih vezi, imajo nanodelci povečano kemijsko aktivnost. Pomembna je seveda tudi kemijska sestava. Kadmij, na primer, je strupen material v vseh dimenzijah, nekatere spojine pa postanejo nevarne šele, če so delci zelo majhni. Titan dioksid v večjih dimenzijah ni nevaren, v premerih pod dvesto nanometrov pa je močan oksidant organskih molekul. Zlato, ki je v večjih dimenzijah kemijsko neaktivno, pri premerih okrog deset nanometrov postane tako reaktivno, da ga lahko uporabljamo kot katalizator.
Tudi zlato postane kemijsko aktivno, ko so delci manjši od nekaj deset nanometrov.
Poleg namensko narejenih nanodelcev moramo biti pozorni tudi na nenamensko proizvedene nanodelce, še posebej v gradbeništvu, ki nastajajo kot stranski produkt proizvodnje oz. rušenja objektov, betoniranja, brušenja, rezanja, mletja, lomljenja, menjave kritin (posebno azbestnih) in tudi brušenja sten za končno obdelavo. Pri vseh teh postopkih nastajajo nanodelci, ki gredo v prostor.
V človeško telo pridejo nanodelci skozi kožo, prebavila in predvsem dihala. Na vse tri načine lahko pridejo v krvni obtok, vse več pa je tudi izsledkov, da lahko iz krvnega obtoka ali prek živčnih poti zaidejo tudi v možgane. Obremenjujejo in poškodujejo lahko pljuča ter vplivajo na bolezni srca in ožilja. 70-nanometrski delci prodrejo v pljučne mešičke, 50-nanometrski delci prodrejo v celice in 30-nanometrski delci prodrejo v celično jedro. Zaradi zapletenosti raziskav zaenkrat še ni podatkov o potovanju delcev, manjših od 20 nm. V ozračju je veliko nanodelcev, ki skrajšujejo našo življenjsko dobo. Kovinski nanodelci iz čiste kovine se v telesu deloma raztapljajo (povzročajo dolgotrajnejše učinke rahle strupenosti), medtem ko so kovinski oksidi v telesu veliko manj topni in se samo nalagajo. Če primerjamo ogljik iz dizelskih motorjev ali od gorenja, se ga iz telesa izloči polovica v štirih mesecih (razpolovna doba), medtem ko kovinski oksidi, npr. azbesti, za vedno ostanejo v telesu.
V notranjih prostorih preživimo veliko časa. Od kod nanodelci izvirajo, kako vplivajo na kakovost zraka, ki ga dihamo?
V notranjih prostorih je precej velika koncentracija nanodelcev že zaradi t.i. ozadja. Ti delci, ki so vedno prisotni v zraku, so predvsem posledica gorenja in izpuhov avtomobilskih motorjev, predvsem dizelskih. Naravno proizvedeni nanodelci nastanejo kot posledica vulkanskih izbruhov, erozij ali puščavskega prahu. Tudi virusi so naravno proizvedeni nanodelci, vendar je njihov delež v prostoru precej manjši od delcev zaradi gorenja. V nekem stanovanju v mestu je od 10 tisoč do 40 tisoč nanodelcev v cm3 zraka. Na podeželju je to število nekoliko manjše, veliko več je bioloških nanodelcev, medtem ko v mestu prevladujejo delci, ki izvirajo iz prometa: izpuhi iz motorjev, obrabe gum in zavornih ploščic, katalizatorji ter iz gorenja (izgorevanje biomase in fosilnih goriv) oz. so posledica industrijske proizvodnje. Nanodelci pridejo v prostor tudi iz odprtih kaminov, zelo priljubljene so tudi sveče (v lokalih in doma), ki sproščajo zelo velike količine nanodelcev, premera 20–30 nm. Dokazano je, da nanodelci ogljika skrajšujejo življenjsko dobo in povzročajo bolezni srca in ožilja.
Nanodelci ogljika, ki se sproščajo v prostor pri gorenju navadne sveče. Slika je posneta z vrstično elektronsko mikroskopijo.
Kajenje je, kot vemo, toksično, kancerogeno, v cm3 izdihanega zraka kadilcev je 100 milijonov nanodelcev. V vdihanem zraku kadilcev so nanodelci mešani z večjimi delci, ki se tudi nalagajo v pljučih in so kemijsko manj aktivni, vendar so veliko bolj obremenilni zaradi nalaganja v pljučih. Toksično je tudi pasivno kajenje, kjer je delež nanodelcev v vdihanem zraku povečan. Še posebej so občutljivi otroci. V prostoru, kjer je nekdo kadil, ostajajo nanodelci v ozračju tudi po več tednov.
Največji onesnaževalci, predvsem v prometu so dizelski avtomobili, poleg avtomobilov za zasebno rabo tudi vsa tovorna vozila na dizelski pogon. Še posebej pri objektih, kot so bolnišnice za pljučne bolezni, šole ali zdravilišča, naj bi bila parkirišča odmaknjena stran od glavnih stavb, kjer so bolniki. V Veliki Britaniji so raziskave na primeru otrok, starih do pet let, ki so jih starši pripeljali k zdravniku zaradi kašljanja in niso kazali drugih bolezenskih znakov, pokazale, da se je zemljevid popisa bivališč teh otrok povsem pokrival z zemljevidom večjih cest v mestu.
Znotraj prostorov je čedalje več nanodelcev nanotehnološkega izvora. Imamo že kar nekaj čistil in dekorativnih premazov, narejenih na osnovi nanotehnologije in jih uporabljamo, ne da bi se zavedali, da v prostor vnašamo nekaj, kar ni nujno vedno zdravo, še posebej, če pride do mehanskih obremenitev. Pri čiščenju se že uporabljajo kemikalije, ki vsebujejo nanodelce, še posebej zaradi antibakterijskih učinkovin. Moderni premazi vsebujejo npr. nanodelce silicijevega oksida, kositrovega oksida, ki delujejo protirefleksivno. Če s takim premazom namažemo tla iz brušenega kamna, zmanjšamo refleksijo tal, barve kamna postanejo lepo vidne in zelo žive. Hkrati ti premazi povečajo odpornost proti razenju. Vendar pride pri mehanskem brušenju takih tal in tudi med stalno uporabo tal, med hojo, do sproščanja teh delcev v ozračje. Nekateri premazi, ki se npr. uporabljajo v kopalnicah za povečanje vodoodbojne funkcije, da se kapljice enostavno odkotalijo po ploščicah ali steklu navzdol, so narejeni na osnovi nanotehnologije. S sabo poberejo vso umazanijo, vendar ne puščajo madežev raztopljenih mineralov na površini. Tako nanesemo tanko plast nanodelcev na površino keramike ali stekla.
Kje vse se v domačem ali delovnem prostoru nanodelci lahko nahajajo in kako se pred njimi lahko zavarujemo?
Doma sedaj uporabljamo pralne praške, v katerih so namesto fosfatov zeoliti, to so kristali z nanometrskimi porami, ki jih je iz tkanin težko odstraniti. Prodajajo posteljnino in žimnice, obdelane z nanosrebrom, drobnimi delci srebra, ki imajo antibakterijsko funkcijo, vendar so na žalost izredno toksični. Prodiranje nanosrebra v človeški organizem bi morali preprečiti, čeprav trenutno ni na tem področju nobene zakonodaje in se ga množično prodaja. Uporablja se tudi pri športnih oblačilih in za impregnacijo notranjih vložkov za čevlje, ker pobija bakterije in s tem odpravlja neprijeten vonj.
Če prah odstranjujemo s sesalnikom, ki ni opremljen s HEPA (High Efficiency Particulate Air) filtri ali filtri niso redno menjani, že poseden prah, združen v skupke, ponovno razdružimo in sproščamo v ozračje. Filtriran mora biti tako zrak, ki gre skozi sesalec, kot tudi zrak, ki obliva motor zaradi hlajenja. Priporočljivo je tudi mokro čiščenje. Glede uporabe kaminov v prostorih je priporočljivo, da so kamini zaprti s steklenim zaslonom, kar pripomore h kakovosti zraka.
Veliko ljudi ne mara zaves, posebej v delovnih prostorih, ker se na njih nabira prah. Če se le-ta ne bo nekje nabiral, bo v ozračju. Prah z zaves odstranjujemo s pranjem.
V drugih bivalnih prostorih, na primer javnih objektih, kjer je zrak filtriran s centralnimi klimatskimi napravami, moramo skrbeti za redno menjanje filtrov. Pri tem ne smemo varčevati.
V delovnem okolju bi izpostavila delavnice oz. okolja v gradbeništvu, kjer pride do mletja, brušenja, rezanja, podiranja objektov, do sproščanja velikih količin prahov, ki vsebujejo tudi frakcije nanodelcev. Pri delu naj bi uporabljali maske. V notranjih prostorih bi morali skrbeti za odsesavanje vseh prahov iz delovnega okolja, za filtriranje zraka s HEPA filtri in redno menjavo le-teh. Najmanjši nanodelci ostanejo v ozračju tudi več tednov. Čistilne službe bi morale skrbeti za zaščito ljudi, ki čistijo prostore, kjer pride do prašenja. Velikokrat so že osnovni materiali impregnirani z različnimi nanodelci, česar se ljudje, ki čistijo, sploh ne zavedajo.
Nanodelci kvarza, ki so pogosto prisotni v zraku ob gradbenih delih, npr. miniranju, brušenju, rezanju, podiranju, itd.
Eni največjih onesnaževalcev delovnega okolja so zagotovo laserski tiskalniki. Navadno so najbolj ogrožene službe, ki skrbijo za namizno založništvo. Poskrbeti bi morali za odsesavanje nanoprahov.
Poleg prvomajskih kresovanj in prižiganja sveč za prvi november so veliki onesnaževalci okolja tudi ognjemeti. Barve, ki jih vidimo, so predvsem kovine, nekatere so že same po sebi toksične. V zrak spuščamo velike količine nanodelcev kovin, ki oksidirajo in takrat zažarijo. Viri onesnaževanja so tudi namenske eksplozije pri vojaških vajah ali v vojnah, kjer se sproščajo v ozračje velike količine izredno toksičnih nanodelcev. V ozračju ostajajo še tedne, mesece, še posebno v bolj suhih predelih Male Azije, medtem ko imamo pri nas srečo, da nanodelce iz ozračja spere dež.
Dež je najboljši čistilec ozračja. Tudi v notranjih prostorih, kjer bi lahko prišlo do sproščanja delcev, bi bilo dobro, da bi namestili tuše, ki bi enostavno sprali ozračje.
Na kaj moramo biti pozorni v gradbeništvu?
Pozorni moramo biti na uporabo materialov, ki so nujni, in na uporabo novih tehnoloških izdelkov. Vsakič moramo pretehtati pozitivne plati estetike in ceno, ki jo moramo zanjo plačati. Treba je proučiti celoten življenjski ciklus izdelka. Od tega, da bo npr. določena tla ali stene čez nekaj let treba brusiti in takrat se ne bomo več zavedali, da je bil določen nanotehnološki izdelek uporabljen, do tega, da lahko pride tudi do nenadzorovanih rušenj oz. naravnih nesreč, kot so bile npr. lanske ujme v Sloveniji, ko so ljudje azbestne strehe množično odstranjevali brez zaščite. Država ni bila pripravljena na tako veliko nesrečo in pristojne službe niso izvajale primernih ukrepov za zaščito ljudi. Vsepovsod, kjer lahko pride do masivnega prašenja, od eksplozij v kamnolomih do različnih rezanj, mletij, brušenj, prevozov itd., je potrebna previdnost. Treba je zmanjševati količino prahu v ozračju in na nek način zaščititi ljudi – delavce, čistilce in tudi neposredno okolico.
Kako nanodelce zaznavamo oziroma kako jih merimo?
Nanodelcev ne moremo neposredno videti, razen z vrhunskimi elektronskimi mikroskopi. V zadnjih letih edina aparatura, ki se za to področje uporablja, temelji na kondenzaciji vode oz. druge tekočine na delcih. V detektorjih nanodelcev umetno povzročimo kondenzacijo vode na nanodelcih. Okrog njih zraste večja kapljica, do premera nekaj mikronov. To je že dimenzija, ki se jo da izmeriti. Te kapljice se v ozračju enostavno prešteje, vsaka kapljica ima svoj nanodelec. Druge vrste detektor, imenovan impaktor pa deluje tako, da vodimo zrak, ki vsebuje nanodelce, okrog ovinkov, pri tem se težji delci na zelo ostrem ovinku zaletijo v steno. Manjši delci gredo naprej, kjer jih čaka še bolj oster ovinek in tam se zopet nekaj večjih delcev iz te frakcije zaleti in tam obstane. Tako po ovinkih oz. kolonah vodimo vedno manjše delce, nato pa odtehtamo, koliko se jih je na določenem ovinku zaletelo. S tem dobimo t.i. številčno porazdelitev delcev po velikosti. Vendar so pri najmanjših delcih te metode zelo sporne, ker delci zelo malo tehtajo, tako da je napaka velika. Edini detektor s številčno porazdelitvijo delcev je kondenzacija neke tekočine na delcih in potem štetje kapljic. V Sloveniji imamo sedaj prvi detektor. Ni še čisto popoln, ker se za selekcijo delcev po velikosti uporablja radioaktivno nabijanje (gre sicer za zelo šibek radioaktiven izvor), ampak zaradi zelo strogih predpisov na tem področju ga zaenkrat še nimamo, čakamo na radioaktivni izvor. Sicer delamo številčne porazdelitve delcev po velikosti, vendar ne moremo s 100-odstotno zanesljivostjo trditi, da so to čisto prave meritve. Razvoj tovrstnih aparatur je še na začetku in je hkrati tudi zelo velika tržna niša tako za razvojnike kot za prodajalce teh aparatur v Sloveniji.
V prihodnosti naj bi namreč imeli detektorje nanodelcev vsepovsod – v pisarnah, v šolah, v bolnišnicah. Tako kot imamo sedaj v prostorih detektorje dima/požara, tako bomo imeli detektorje delcev v bivalnem in v splošnem okolju.
Kdo se pri nas ukvarja s področjem nanovarnosti? Kdaj lahko pričakujemo predpise o dopustnih mejnih vrednostih nanodelcev, kako naj ravnamo do takrat?
Pri nas je za to področje zadolženo Ministrstvo za zdravje RS, Urad za kemikalije. Tam je tudi centralna točka za dajanje informacij v zvezi s tem. Predpisa ne pričakujemo do leta 2013, ker smo povezani z Evropsko unijo, ki ta predpis odlaga na omenjeno leto. Obstajajo tudi veliki pritiski Evropskega parlamenta, da bi se ponovno proučilo mejne vrednosti in mejne količine določenih substanc v prodajnih artiklih tudi s stališča velikosti delcev. Sedaj so te vrednosti samo masne, npr. toliko gramov na toliko proizvoda je dopustno, ni pa številčnih porazdelitev po velikosti. Ker je vse več informacij, da so nanodelci res toksični, Evropski parlament pritiska na Evropsko komisijo, da bi šel predpis v postopek sprememb.
Do takrat je predvsem treba paziti, da vedno pretehtamo pozitivne in negativne plati, preden se odločimo za proizvodnjo oz. nakup določenih izdelkov, premisliti moramo celoten življenjski ciklus izdelka in tudi snovi, na katere ta izdelek nanašamo. Seveda je treba vedno gledati pozitivno tudi s stališča nanotehnologij, ki bodo prinesle veliko novega tudi z vidika trajnosti življenjske dobe izdelkov. Če bo nek izdelek trajnejši, če bo potrebnih manj posegov v določen prostor, bomo na drugi strani pridobili nekaj pozitivnega. Na vse moramo gledati celovito.
V primeru prašenja uporabimo maske, tuše, zmanjšati je treba izpostavljenost ljudi vdihavanju teh prahov. Tudi kurjenje na prostem je v tujih državah večinoma že zelo dobro predpisano, pri nas pa še ni. In tudi peči, recimo, ki dosegajo pri gorenju dovolj visoke temperature, da ogljik v celoti zgori v ogljikov dioksid, so s stališča nanodelcev gotovo pozitivne. Navadna kurišča, ki sproščajo velike količine nanodelcev v okolje, pa so problematična, še posebej npr. v bližini Bolnišnice Golnik.
Nanodelci in življenje z njimi v prihodnosti?
Nanodelci bodo preželi vse naše dejavnosti, povsem bodo spremenili naše dojemanje zdravega okolja. Še vedno se vidi močan pritisk ljudi na mesta, ljudje nimajo nobenih pomislekov, da živijo v stanovanjskih objektih ob glavnih prometnicah v mesto.
Možni sta dve poti. Prva je, da se v prihodnosti ne bodo več uporabljali avtomobili z notranjim izgorevanjem, druga pot pa je, da bodo ljudje postali tako ozaveščeni, da se bodo izselili s teh področij.
Gostinski objekti v bližini velikih prometnic so ekološko zelo sporni. Ljudje tam sedijo ure in ure in vdihavajo močno onesnažen zrak. Kar se tiče varstva otrok in zdravega življenjskega okolja upam, da bodo ljudje skušali najti bivališča stran od glavnih prometnic.
Nam lahko predstavite najnovejša odkritja in projekte, s katerimi se trenutno ukvarjate?
Poleg problematike nanodelcev z vidika varnosti je moje področje sinteza nanomaterialov. Tudi nanodelce je možno sintetizirati na tak način, da ohranimo njihove fizikalne in kemijske lastnosti, po drugi strani pa preprečimo, da bi se sproščali v okolje. V zadnjih dveh letih smo razvili povsem nove materiale, tako imenovane «mama« tube. To so zelo drobne cevke, v katerih so še bolj drobne kroglice molidenovega disulfida, ki je trenutno najboljše mazivo na svetu. Moliden disulfid je spojina, ki se uporablja za industrijska maziva že več desetletij, hkrati se uporablja pri razžvepljevanju nafte. Manjši kot so delci, več je aktivnih mest na površini te spojine. Zaradi tega je priporočljivo, da so delci čim manjši. Vendar nismo kar zmanjševali vseh treh dimenzij, da bi dobili nek droben prah. Razvili smo cevke, v katerih so kroglice tega materiala. Zaradi tega aktivna mesta za kemijsko reakcijo ostajajo, vendar se delci ne morejo sproščati v okolje. Industrijska maziva bodo zmanjševala trenje, na površini orodij oz. kovin, ki bodo v stiku trenja, pa bodo naredila tanko zaščitno protikorozijsko plast. S tem bodo podaljševala življenjsko dobo vseh materialov v stiku ter zmanjševala trenje. Predvidevamo velike prihranke energije.
Mojca Polanc Govekar
Fotografije: arhiv Maje Remškar
arhiv IMC, d. o. o.
