فناوری نانو - گروه آموزشی فیزیک شهرستان بم
X
تبلیغات
رایتل

فناوری‌های نانو در زمینه‌های گوناگونی همچون توسعه داروها، آلودگی‌زدایی آب‌ها، فناوری‌های ارتباطی و اطلاعاتی تولید مواد مستحکم‌تر و سبک‌تر دارای مزایای بالقوه می‌باشند. در حال حاضر شرکت‌های زیادی نانوذرات را به شکل پودر، اسپری و پوشش تولید می‌‌کنند که کاربردهای زیادی در قسمت‌های مختلف اتومبیل، راکت‌های تنیس، عینک‌های آفتابی ضدخش، پارچه‌های ضدلک، پنجره‌های خود تمیزکن و صفحات خورشیدی دارند.


 اما اثرات افزایش بیش از حد تولید و استفاده از نانومواد در سلامت کارکنان و مصرف کننده‌ها، سلامت عمومی و محیط زیست باید به دقت مورد توجه قرار گیرد. از آنجایی که فرآیند رشد و واکنش‌های شیمیایی کاتالیستی در سطح اتفاق می‌افتند، یک مقدار مشخصی از ماده در مقیاس نانومتری بسیار فعال‌تر از همان مقدار ماده با ابعاد بزرگ‌تر می‌باشد. این ویژگی‌ها ممکن است بر روی سلامتی و محیط زیست اثرات منفی داشته و منجر به سمیت زیاد نانوذرات شوند.



 همزمان با توسعه دانش ما در مورد مواد در مقیاس‌نانو و افزایش توانایی کار کردن با ساختارها در این مقیاس، فناوری‌نانو رفته رفته گسترش یافته و سرمایه‌گذاری جهانی در این زمینه نیز افزایش می‌یابد. فناوری‌های نانو در زمینه‌های گوناگونی همچون توسعه داروها، آلودگی‌زدایی آب‌ها، فناوری‌های ارتباطی و اطلاعاتی تولید مواد مستحکم‌تر و سبک‌تر دارای مزایای بالقوه می‌باشند. در حال حاضر شرکت‌های زیادی نانوذرات را به شکل پودر، اسپری و پوشش تولید می‌‌کنند که کاربردهای زیادی در قسمت‌های مختلف اتومبیل، راکت‌های تنیس، عینک‌های آفتابی ضدخش، پارچه‌های ضدلک، پنجره‌های خود تمیزکن و صفحات خورشیدی دارند. تعداد این شرکت‌ها روز به روز در حال افزایش است.


محدوده اندازه ذراتی که چنین علاقه‌مندی را به خود جلب کرده است، عموما کمتر از 100 نانومتر است. برای داشتن تصوری از این مقیاس لازم به ذکر است که موی انسان دارای قطر 10000 تا 50000 نانومتر، یک سلول قرمز خونی دارای قطر حدود 5000 نانومتر و ابعاد یک ویروس بین 10 تا 100 نانومتر است. با کاهش اندازه ذرات، نسبت تعداد اتم‌های سطحی به اتم‌های داخلی افزایش می‌یابد. به عنوان مثال درصد اتم‌های سطحی یک ذره با اندازه 30 نانومتر، 5 درصد است، در حالی که این نسبت برای یک ذره با اندازه 3 نانومتر، 50 درصد می‌باشد.


بنابراین نانوذرات در مقایسه با ذرات بزرگ‌تر نسبت سطح به وزن بسیار بزرگ‌تری دارند. با کاهش اندازه ذرات به یک دهم نانومتر یا کمتر، اثرات کوانتومی پدیدار می‌شوند و این اثرات، می‌تـوانـند به مقـدار زیــادی ویـژگی‌هـای نــوری، مغـناطیسی و الکتـریکی مواد را تغییر دهند. از طریق پی‌گیری ساختار مواد در مقیاس نانو، امکان طراحی و ساخت مواد جدید با ویژگی‌های کاملا نو به وجود می‌آید. تنها با کاهش اندازه و ثابت نگهداشتن نوع ماده، ویژگی‌های اساسی از قبیل هدایت الکتریکی، رنگ، استحکام و نقطه ذوب ماده (که معمولا برای هر ماده مقدار ثابتی از آنها را در نظر می‌گیریم) می‌تواند تغییر کند.


در حال حاضر نانوذراتی که به طور ناخواسته، از طریق فرآیندهای احتراق انجام شده جهت تولید انرژی یا در اتومبیل‌ها، فرآیندهای خوردگی مکانیکی و یا فرآیندهای صنعتی معمول به وجود می‌آیند، بیش از تولید صنعتی نانوذرات بر محیط زیست و زندگی انسان تاثیر می‌گذارند. اما اثرات افزایش بیش از حد تولید و استفاده از نانومواد در سلامت کارکنان و مصرف کننده‌ها، سلامت عمومی و محیط زیست باید به دقت مورد توجه قرار گیرد. از آنجایی که فرآیند رشد و واکنش‌های شیمیایی کاتالیستی در سطح اتفاق می‌افتند، یک مقدار مشخصی از ماده در مقیاس نانومتری بسیار فعال‌تر از همان مقدار ماده با ابعاد بزرگ‌تر می‌باشد. این ویژگی‌ها ممکن است بر روی سلامتی و محیط زیست اثرات منفی داشته و منجر به سمیت زیاد نانوذرات شوند.



تنفس نانوذرات


خطرات احتمالی نانوذراتی که در هوا پخش شده‌اند، یعنی آئروسل‌ها از اهمیت بیشتری برخوردارند. این قضیه به دلیل تحرک بالای آنها و امکان جذب آنها از طریق ریه، که راحت‌ترین مسیر ورود به بدن می‌باشد، اهمیت پیدا می‌کند. اندازه ذرات تا حدزیادی تعیین‌کننده محل نشست این ذرات در دستگاه تنفسی می‌باشد. به خاطر راحت‌تر شدن کار، دستگاه تنفسی را به سه قسمت ناحیه‌ای و کارکردی تقسیم می‌‌کنیم:


1- مسیر‌های هوایی بالایی،


2- ناحیه نایژه‌ها، که هر دوی آنها به وسیله لایه موکوس حفاظت می‌شوند. در اینجا ذرات بزرگ‌تر، از طریق نشستن بر روی دیواره مسیر هوایی، از هوای ورودی به ریه جدا می‌شوند. حرکات مژه‌های این قسمت، خلط را به سوی گلو بالا برده و از آنجا یا در اثر سرفه خارج و یا بلعیده می‌شوند. ذرات کوچکتر (کوچکتر از 2.5 میکرومتر) و نانوذرات ممکن است وارد کیسه‌های هوایی شوند، که ناحیه مبادله گاز در ریه می‌باشند. جهت تسهیل جذب اکسیژن و دفع دی‌اکسید کربن، تمام غشاها و سلول‌ها در این قسمت از ریه، نازک و آسیب‌پذیر بوده و هیچ‌گونه لایه حفاظتی ندارند. تنها مکانیسم حفاظتی در این قسمت از طریق ماکروفاژها می‌باشد.


3- ماکروفاژها سلول‌های بزرگی هستند که اشیای خارجی را بلعیده و از طریق جابه‌جا کردن آنها، به عنوان مثال به سوی گره‌های لنفاوی، آنها را از کیسه‌های هوایی خارج می‌کنند. نانوذرات تا حد زیادی از این سیستم حفاظتی رها شده و می‌توانند وارد بافت‌های تنفسی گردند. ذرات و الیاف باقی‌مانـده می‌تواننـد با بافت‌های مخاطی ریوی بر هم کنش داده و منجر به ایجاد التهاب شدید، زخم و از بین رفتن بافت‌های ریوی گردند. این وضعیت ریه‌ها شبیه حالت به وجود آمده در بیماری‌هایی همچون بیماری باکتریایی ذات‌الریه، یا بیماری‌های ریوی صنعتی مهلک همانند سیلیکوسیس یا آزبستوسیس می‌باشد.


سیلیکوسیس و آزبستوسیس


با وجودی که بیماری‌های سیلیکوسیس و آزبستوسیس از طریق نانوموادی که به روش تکنیکی تولید شده‌اند به وجود نمی‌‌آیند، اما منشا ایجاد این بیماری‌ها، تنفس موادی شبیه نانوذرات است که اطلاعات قدیمی در مورد اثرات زیان‌بخش آنها بر روی سلامتی وجود دارد. سیلیکوسیس زمانی ایجاد می‌شود که گرد و غبار حاوی سیلیس به مدت طولاتی به درون ریه تنفس شود. سیلیس بلوری برای سطح بیرونی ریه سمی می‌باشد. زمانی که سیلیس بلوری در تماس با ریه قرار می‌گیرد اثرات التهابی شدیدی به وجود می‌آید. در مدت زمان طولانی این التهاب باعث می‌شود تا بافت ریه به طور برگشت‌ناپذیری آسیب‌دیده و ضخیم شود که این پدیده به نام فیبروسیس نامیده می‌شود.


سیلیس بلوری عموما در ماسه‌سنگ، گرانیت، سنگ لوح، زغال سنگ و ماسه سیلیسی خالص وجود دارد. بنابراین افرادی همچون کارگران کارخانه‌های ذوب فلزات، سفال‌گران و کارگرانی که با ماسه کار می‌کنند، در معرض خطر قرار دارند. سیلیس بلوری از سوی سازمان بهداشت جهانی به عنوان یک ماده سرطانزا معرفی شده است.


الیاف پنبه نسوز دارای طول چند میکرومتر می‌باشند و در نتیجه جزء نانومواد قرار نمی‌گیرند. با این‌ حال جزء ذرات و الیاف مجموعه امراض شغلی قرار می‌گیرند. پنبه نسوز یک فیبر معدنی طبیعی است که در بیش از 3000 ماده ساختمانی و محصول تولید شده به کار گرفته شده است. تمام انواع پنبه نسوز تمایل به خرد شدن به الیاف بسیار ریز دارند.


به دلیل کوچک بودن، این الیاف پس از پخش شدن در هوا ممکن است به مدت چند ساعت یا حتی چند روز معلق بمانند. الیاف پنبه نسوز تخریب‌پذیر نبوده و در طبیعت پایدار می‌باشند. این الیاف در مقابل مواد شیمیایی پایدار هستند، تبخیر نمی‌شوند، در آب حل نمی‌شوند و در طول زمان تجزیه نمی‌گردند. پنبه نسوز موجب ایجاد سرطان ریه و مزوتلیوما می‌شود که نوعی تومور خطرناک غشایی است که ریه را می‌پوشاند .


آلودگی ذره‌ای هوا در مشاغل دیگری همچون تولید و فرآوری کربن سیاه و الیاف مصنوعی نیز موجب ایجاد نگرانی می‌شود.


آلودگی ذره‌ای هوا


آلودگی هوا مخلوط کمپلکسی از ترکیبات مختلف در فاز گاز، مایع و جامد است. خود مواد ذره‌ای مخلوطی ناهمگن از ذرات معلق هستند که ترکیب شیمیایی و اندازه آنها متفاوت است. در مطالعات اپیدمی‌شناسی، انواع مختلفی از آلودگی‌های ذره‌ای هوای معـرفی شـده‌اند کـه از آن جمـله میـتـوان بـه TPS (مجموع مواد معلق) و PM 10 (مواد ذره‌ای با قطر موثر آئرودینامیک کمتر از 10 میکرومتر) اشاره کرد. در سال‌های اخیر مطالعات زیادی در زمینه مواد ذره‌ای ریز PM 2.5 (ذراتی با قطر آئرودینامیک کمتر از 2.5 میکرومتر) و فوق ریز (ذرات با قطر کمتر از 100 نانومتر) انجام گرفته است.


با وجودی که میزان خالص آلودگی‌ ذره‌ای هوای شهری (یعنی مقدار PM 2.5)، با کم شدن نشر ذرات از صنایع و مراکز تولید انرژی کاهش یافته است، غلظت ذرات فوق‌ریز ناشی از ترافیک افزایش یافته است. هر چند غلظت این ذرات کوچک معمولاً مهمتر است اما سهم آنها معمولاً پایینتر از غلظت کل است. بنابراین اندازه‌‌گیری توزیع اندازه ذرات تا چند نانومتر ، برای توصیف ذرات پخش‌شده از ترافیک ضروری است.


با توسعه روش‌های اندازه‌گیری آثار روشن‌تری از ذرات با اندازه کوچک‌تر مشاهده گردید. با این‌حال، بسیاری از مطالعات هنوز ادامه دارند و تعداد بسیار کمی از آنها تاکنون به نتیجه رسیده‌اند. پیشنهاد شده است که اثرات زیان‌آور آلودگی ذره‌ای هوا به طور عمده به غلظت ذرات کوچک‌تر از 100 نانومتر ارتباط دارد و به غلظت جرمی ذرات بزر‌گ‌تر بستگی چندانی ندارد. بنابراین معقول به نظر می‌رسد که اطلاعات به دست آمده از اپیدمی‌شناسی محیطی را با داده‌های حاصل از مطالعات سم‌شناسی انجام گرفته بر روی حیوانات و یا سایر داده‌های تجربی ترکیب نماییم.


مطالعات اپیدمی‌شناسی زیادی ثابت کرده‌اند که ارتباط مستقیمی بین افزایش مقطعی مواد ذره‌ای و افزایش بیماری و مرگ و میر ناشی از نارسایی‌های قلبی و عروقی وجود دارد. بیماران مسن‌تری که سابقه بیماری‌های قلبی و یا تنفسی دارند و همچنین بیماران دیابتی، در معرض خطر بیشتری قرار دارند.


مدارک تجربی، مکانیسم‌های بیولوژیکی محتملی همچون تحریک دستگاه تنفسی و فشار اکسیدی جهازی را نشان می‌دهند. در نتیجه این تحریک‌ها، مجموعه‌ای از پاسخ‌های زیستی همانند موارد زیر ممکن است ایجاد شوند:


تغییر جریان خون به نحوی که موجب ایجاد انعقاد در قسمتی از رگ‌های خونی گردد، به هم خوردن آهنگ ضربان قلب، عملکرد نادرست و بحرانی رگ‌ها، ناپایداری پلاکت‌های خونی، و در طولانی مدت توسعه تصلب شرایین، التهاب مزاجی و ریوی ناشی از ذرات، تصلب شرایین تسریع شده و عملکرد تغییر یافته ارادی قلب.


این موارد ممکن است بخشی از عوامل زیستی باشند که آلودگی ذره‌ای هوا را به مرگ و میر ناشی از بیماری‌های قلبی ارتباط می‌دهند. همچنین نشان داده شده است که نشست ذرات در کیسه‌های هوایی شش‌ها منجر به فعال شدن تولید سیتوکین به وسیله ماکروفاژها و سلول‌های اپیتلیال کیسه‌های هوایی گشته و موجب التهاب سلول‌ها می‌شود. در نمونه‌هایی که به طور تصادفی از میان بزرگسالان سالم در معرض آلودگی ذره‌ای هوا انتخاب شده بودند، افزایش ویسکوزیته پلاسما، فیبرینوژن و پروتئین فعال C مشاهده گردید.


خلاصه و چشم‌انداز بحث


در مجموع مدارک بسیار زیادی حاصل از مطالعات اپیدمی‌شناسی وجود دارد که اثرات زیان‌آور ذرات فوق‌ریز را بر روی سلامتی نشان می‌دهند. همچنین از مدت‌ها پیش مدارک زیادی مبنی بر زیان‌آور بودن تنفس ذرات قابل تنفس در محیط‌های کاری وجود دارد. به طور کامل مشخص نیست که این مسائل به نانومواد ساخت بشر مربوط است یا نه. با این حال منطقی آن است تا زمانی که بر اساس مطالعات بیشتر اپیدمی‌شناسی، همچنین مطالعات انجام شده بر روی حیوانات، اثرات زیان‌آور این نانومواد کاملا مشخص نشده است، از این داده‌ها چشم‌پوشی نکنیم.


در حال حاضر هیچ قانونی در مورد تولید و کاربرد نانومواد برای سلامتی کارکنان و مصرف‌کنندگان و همچنین برای مسائل زیست‌محیطی وجود ندارد. همچنین در زمینه قانون‌گذاری برای مواد شیمیایی، هیچ گزینه‌ای برای اندازه ذرات در هنگام ثبت یک ماده مدنظر قرار نمی‌گیرد.


پیش از انجام هرگونه قانون‌گذاری در زمینه نانومواد، باید اطلاعات بسیار زیادی راجع به اثرات فرآیندها و محصولات نانو، بر روی سلامتی انسان و همچنین محیط زیست به دست آید. اما حتی با در نظر گرفتن عدم قطعیت علمی موجود، شواهد کافی برای انجام اقدامات پیشگیرانه در محیط‌های کاری و بسته وجود دارد.