ננוטכנולוגיה ירוקה

ננוטכנולוגיה ירוקה היא שימוש באמצעים ננוטכנולוגיים כדי לשפר ולהשביח טכנולוגיות קיימות כך שישמרו את איכות הסביבה ואת משאבי הטבע. המטרה של הטכנולוגיה הירוקה היא להקטין, ככל הניתן, את זיהום הסביבה הנובע מתהליכים טכנולוגיים הגורמים לסיכון בריאות האדם, זאת באמצעות שימוש בטכנולוגיה ידידותית לסביבה. השילוב של הננוטכנולוגיה בטכנולוגיות הירוקות הן הבסיס להתפתחות הרעיון של ננוטכנולוגיה ירוקה. שינויי אקלים, מחסור בדלקים פוסיליים ודלול משאבי טבע מהווים חלק מהאתגרים הסביבתיים הגדולים ביותר במאה ה-21. הבסיס להתפתחות הננוטכנולוגיה הירוקה נבע מחשיבות שילוב תחום זה בתעשייה ובחיי היום יום, כך שיהווה פתרון לאתגרים סביבתיים. דוגמאות לשימוש בננוטכנולוגיה ירוקה כפתרון לאתגרים סביבתיים: התפלת מים – ננוטכנולוגיה ירוקה תסייע באספקת מים נקיים בעזרת טכניקות לסינון מים וטכניקות ל טיפול במי תהום ושפכים המזוהמים במתכות רעילות, ממסים אורגניים ומיקרואורגניזמים העלולים לגרום לתחלואה. ישנם מספר דרכים להתפיל מים תוך שימוש בננוטכנולוגיה: צינורות ננו-פחמנים יכולים להוות מסננים (פילטרים) מכיוון שיש להם שטח פנים גדול, חדירות גבוהה, חוזק מכני ויציבות תרמית. בעזרתם, ניתן לסנן מזהמים מהמים כגון חיידקים, וירוסים ומזהמים אורגניים. הם פועלים בדומה לממברנות בלחץ אוסמוטי, אך בניגוד לממברנות הם אינם דורשים תחזוקה בעלות גבוהה. nZVI- מתכות אצילות שמוחדרות למי התהום ומהוות PRB (מחסומים התופסים מזהמים ומסלקים אותם או מפרקים אותם ומשחררים מים נקיים מזיהומים). תהליך זה גורם לעליה ב-pH ולירידה ביכולת החיזור של התמיסה כתוצאה מצריכה מוגברת של חמצן ומחמצנים נוספים ומיצירה של מימן. השימוש הראשון שנעשה בחלקיקים אלו בשטח היה בשנת 2000, מאז מתכות אלו נמצאו יעילות בסילוק מספר רב של מזהמים בניהם ממסים אורגניים כלוריים חומרי הדברה ו-PCB (ביפנילים עתירי כלור). אנרגיה מתחדשת – הבעיה העיקרית בשימוש בטכנולוגיות הקיימות בתחום האנרגיה המתחדשת היא יעילותן הנמוכה. ננוטכנולוגיה תסייע בפתרון לבעיה זו. ציפוי תאים סולארים בננו-חלקיקים- תאים סולאריים יעילים יותר ככל שהם קטנים יותר. היתרון באנרגיה סולארית שהיא מהווה אנרגיה חלופית לאנרגיה המופקת ממקורות מזהמים כגון נפט ופחם. ציפוי תאים פוטוולטאיים בננו-חומרים מאפשר הגדלת פני השטח לקליטת יותר פוטונים וכך יעילות הפקת האנרגיה תהיה רבה יותר. בנוסף- ציפוי זה יכול להשאיר את התא נקי לאורך זמן וכך יבטיח שמירה על היעילות האנרגתית. צבע סולארי – ננו חלקיקי טיטניום המצופים בתרכובת קדמיום גופריתי או בקדמיום סליניד ולאחר מכן מושקעים בתערובת של אלכוהול ומים על מנת ליצור משחה. בעצם מדובר על תערובת המכילה חלקיקים המוליכים למחצה שניתן למרוח על כל משטח שקוף ומוליך וליצור חשמל באמצעות תהליכי הארה. "רצינו לפתח משהו שכולל שינוי צורה, להצליח לעבור אל מעבר לטכנולוגיה הנוכחית של ייצור אנרגיה סולארית על בסיס סולארי" כך אומר פראשאנט קאמאט מנהל המחקר מרצה למדעי הכימיה וביוכימיה וחוקר במרכז מדעי הננו וטכנולוגיה מאוניברסיטת נוטרדם. כרגע יעילות החומר נמוכה בהרבה מזו של המתחרים (1% לעומת 10-15% בפנאלים סיליקוניים) אך היתרון הגדול של הצבע הוא שניתן להפיק אותו בכמויות גדולות, הוא זול ואינו תופס הרבה מקום. תיקון סביבתי – האדם, מייצר כמות גדולה של פסולת ומזהמים סביבתיים שחלקם אף מסוכנים לבריאות. שימוש בננוטכנולוגיה יכול להוות אינדיקטור למזהמים המצויים בסביבה ולהועיל בטיפול בפסולת זו. דנדרימרים- פולימרים בעלי צורה כדורית עם הסתעפויות מרובות שיש להם היכולת לקשור חומרים מזהמים כגון פרכלורט שהוא בעל השפעות קרצינוגניות. טיטניום דיאוקסיד- זרז המשמש לפירוק תרכובות כימיות ואורגניות. טיטניום דיאוקסיד מעכב את הגידול של אצות ומיקרואורגניזמים אחרים. התכונות הפוטוכימיות של טיטניום דיאוקסיד מאפשרים לו בנוסף גם לפרק חומר חלקיקי ולכן ציפוי חלונות בננו חלקיקי טיטניום דיאוקסיד יכול להוביל לניקוי אוויר עירוני. ייצור ותעשייה – שימוש בננו-חומרים תורם לייצור מרכיבים קטנים וקלים הצורכים פחות משאבים ואנרגיה בתהליך הייצור שלהם. ייצור ננו חלקיקי זהב וכסף- תהליכי הייצור המקובלים של ננו חלקיקי זהב וכסף יקרים ומאוד מסוכנים. באמצעות שימוש בביוננוטכנולוגיה ירוקה ניתן לשפר תהליך זה תוך שימוש באורגניזמים כזרזים באמצעות ניצול של מנגנוני הספיגה של מתכות על ידי צמחים, שמרים וחיידקים. הגנה ממיקרואורגניזמים בתהליכים שאינם מזהמים באמצעות NP LiquidGlass – ציפוי משטחים בשכבת זכוכית ננומטרית ויצירת Ultra Thin Layer of LiquidGlass במטרה להגן על משטחים אלו מפני מיקרואורגניזמים. הציפוי מיוצר בתהליך שאינו מזהם וכך כבר בשלב זה מגן על הסביבה (זאת בניגוד למוצרי ההגנה למשטחים, המיוצרים מנפט ופולימרים והם חומרים מסוכנים, רעילים לאדם ולסביבה המיוצרים בהליכים מזהמים). כמו כן החומר אינו רעיל לבני אדם, בטיחותי למגע עם העור, מתאים למגע עם מזון, אינו מזיק לסביבה ואינו מכיל חלקיקים שיוצרו במעבדה. הציפוי הייחודי גורם לשינוי המבנה המולקולארי של המשטחים והופך את המשטחים להיות קלים יותר לניקוי (ניתן להשתמש במים בלבד דבר המפחית את השימוש בחומרי ניקוי אחרים) בשיטה זו ניתן לצפות משטחי זכוכית, אבן, אריחים, מתכות, פלסטיק, עץ ואף מוצרי טקסטיל. תא דלק ביולוגי- שימוש במרכיבים ביולוגיים על מנת ליצור סוללה שאין לה תוצרי לוואי מזיקים. סוללה מאצה – סוללה הבנויה ממעטפת של אצת Cladophora ומצופה בשכבה דקה של פולימר מוליך. התאית במעטה האצה היא בעלת שטח פנים גדול השונה ממבנה התאית של צמחים יבשתיים ולכן יכולה לשמש כמאחסן אנרגיה. את הננו-תאית מצפים בשכבת פולימר מוליכה בעובי 50 ננומטר ומקבלים סוללה בעלת יכולת אחסון של 0.6 אמפר לכל סמ"ק, ועם אובדן של 6% בלבד מהיכולת לאחר 100 הטענות. הסוללות הללו ידידותיות לסביבה, זולות וקלות לנשיאה. תא דלק ביולוגי מאנזימים – שימוש באנזימי חמצון-חיזור הנמצאים בתמיסה על מנת לבצע העברה של אלקטרונים. העיקרון מבוסס על אלקטרודות המקיימות תהליכי חמצון-חיזור באמצעות תהליכים ביוקטליטיים. המעבר מאנרגיה כימית לאנרגיה אלקטרו-כימית נעשה על ידי שימוש ברכיבים ביולוגיים. המטרה בסופו של דבר היא להגיע ליצירת אנרגיה מסובסטרטים כגון אלכוהול, פרוקטוז וחומצות אמינו. בנוסף ישנו אמצעי שליטה על פי תא הדלק באופן של שינוי pH של התמיסה. האלקטרודה מצופה בפולימר אשר ב-pH נטרלי ובסיסי נמצא במצב לא טעון ולכן יש לו מבנה מכווץ אשר גורמת למיסוך של האלקטרודה בפני התמיסה בה נמצאים אנזימי החמצון-חיזור. ירידה ב-pH ל-pH חומצי מקנה מטען לפולימר אשר מקנה לו מבנה נפוח ובכך נפסק המיסוך בין האלקטרודה לתמיסה וריאקצית החמצון-חיזור יכולה להתרחש. היתרונות של סוללות אלו הן בעלות הנמוכה של מרכיביה ובאפשרות להשתמש בה להפעלה של מכשירים דמוי-ביולוגיים באדם כמו דפיברילטורים והם יוכלו לפעול על ידי שימוש באנרגיה גלוקוז אשר נמצא בדם. בנוסף- תוצרי הלוואי של סוללות אלו בלתי מזיקים. תא דלק מיקרוביאלי - מערכת ביואלקטרית שמעביר זרם באמצעות חיקוי של תהליכים המתרחשים בתוך חיידקים. ישנם 2 סוגים: תא דלק מיקרוביאלי הדורש מתווך- זהו הסוג הקדום יותר. המתווך הוא חומר כימי אשר משמש להעברת אלקטרונים מהחיידק לאנודה. תא דלק מיקרוביאלי שאינו דורש מתווך- הוכן לראשונה בשנות ה-70. נעשה שימוש באנזימי חימצון-חיזור כדוגמת ציטכרומים בממברנה החיצונית שלהם שיכולים להעביר אלקטרונים ישירות לאנודה. יחד עם ההשלכות החיוביות של ננו חלקיקים בכל הנוגע לסילוק מזהמים ישנה ביקורת רבה בקרב אנשי התחום לגבי ההשלכות של החלקיקים האלו עצמם על איכות הסביבה ובריאות האדם. בגלל גודלם הקטן של ננו חלקיקים לא ידוע עדיין מה תהיה ההשלכה הסביבתית של מוצרים אלו. למשל, טרם ברורה התוצאה של הגעת ננו חלקיקי זהב וכסף למי התהום. אחת מהמטרות של הננוטכנולוגיה הירוקה היא הקטנת הסיכון לבריאות האדם. מנגד, יש המכנים את הננו-חלקיקים כ"האזבסט של המאה ה-21". בעקבות כל זאת נעשה ניסיון של חוקרים להבין את ההשלכות של ננו-חלקיקים על גוף האדם: השפעה על המערכת הקרדיווסקולרית- חשיפה לננו-חלקיקים עשויה להביא לשינויים פיזיולוגיים אשר עלולים להוביל למחלות קרדיווסקולאריות. מחקרים בארצות הברית הראו כי בערים בהן היה זיהום של ננו-חלקיקים באוויר הייתה תחלואה ותמותה גדולה יותר ממחלות קרדיווסקולאריות ביחס לערים בהן אין זיהום כזה. כמו כן, נמצא קשר בין חשיפה לננו-חלקיקים לבין אריתמיה ואוטם שריר הלב. השפעה על המערכת הפולמונרית- חשיפה לננו-חלקיקים עשויה להוביל לדלקת ריאות. בנוסף, כמות מסוימת של חלקיקים אלו, עוברים מהריאות לאזורים אחרים בגוף כגון דם, כבד, לב, לבלב ומוח. לדוגמה, נמצא כי ננו-חלקיקי טיטניום דיאוקסיד אשר נשאפים לתוך הריאות עוברים את הממברנה התאית במנגנון שאינו תלוי פאגוציטוזה ומגיעים לקפילרות. עקה חמצונית- ההנחה הרווחת היא שננו-חלקיקים אשר נפלטים לסביבה וחודרים לתאים הומניים גורמים לעליה בעקה חמצונית עקב שלוש תכונות של חלקיקים אלו- שטח הפנים הגדול שלהם שמאפשר להם להיות באינטראקציה עם מרכיבים תאיים רבים, גודלם הקטן ובעיקר בגלל מתכות מזהמות שבמקרים רבים נמצאות קשורות לחלקיקים אלו (מתכות רבות שנמצאו בננו-חלקיקים משחררות רדיקלים חופשיים). נמצא כי ננו-חלקיקים נקלטים על ידי נוירונים אם כי עוד לא ידוע אם דבר זה גורם לנזק. מעבר עורי- חלקיקים גדולים ממיקרון אחד לא יכולים לחדור לרקמת עור שלמה (ללא חתכים או שריטות). ננו-חלקיקים לעומת זאת, בין אם הם פולארים ובין אם לא, יכולים לעבור את שכבת האפידרמיס במעבר פארה-צלולארי. טיטניום דיאוקסיד הוא דוגמה לננו חלקיק שיכול לעבור את השכבה החיצונית של העור. חלקיקים שעוברים את שכבת האפידרמיס יכולים לעבור למערכת הלימפה באמצעות תאי מאקרופאג' ותאים דנדריטים. ננוטכנולוגיה כימיה ירוקה הנדסה ירוקה ביולוגיה סביבתית אקולוגיה תעשייה ירוקה ננוטכנולוגיה בענף הבנייה ננו טוקסיקולוגיה Andrew D. Maynard (2006): Nanotechnology:The Next Big Thing or Much Ado about Nothing? Ann. Occup. Hug. 51.1:1-12. Craig Cormick (2009): Why Do We Need to Know What the Public Thinks about Nanotechnology? Nanoethics 3:167-173. Barbara Karn (2008): The Road to Green Nanotechnology. Journal of Industrial Ecology, 12: 3 Karen F.Schmidt (2007): Green Nanotechnology: It's easier than you think Kavita Katti, Nripen Chanda, Ravi Shukla, Ajit Zambre, Thilakavathi Suibramanian, Rajesh R. Kulkarni, Raghuraman Kannan and Kattesh V. Kattia (2009): Green Nanotechnology from Cumin Phytochemicals: Generation of Biocompatible Gold Nanoparticles. International Journal Green Nanotechnol Biomed: 1:1 Nanotechnologies in the 21st century: Challenges and opportunities to green nanotechnologies - nanotechnologies in the 21st century. Issue 1. april 2009 Matthew J. Eckelman, Julie B. Zimmerman, and Paul T. Anastas (2008): Toward Green Nano – E-factor Analysis of Several Nanomaterial Syntheses. Journal of Industrial Ecology, 12:3 Barbara Karn, Todd Kuikern, Martha Otto (2009): Nanotechnology and In Situ Remediation: a Review of the Benefits and Potential Risks: Environmental Health Perspectives. 117(12): 1813-1831 Kelvii Wei Guo (2012): Green nanotechnology of trends in future energy: a review. International Journal of Energy Research, 36:1–17 http://www.tashtiot.co.il/2011/12/25/צבע-סולארי/ Naomi Lubick (2009): Promising Green Nanomaterials: Environ. Sci. Technol.: 43: 1247-1249 http://www.ntsi.co.il/ דר. משה נחמני, ‏סוללות נייר מאצה ירוקה, באתר "הידען", 21 בספטמבר 2009 Amir L. Tam TK. Pita M. Meijler MM. Alafonta L. Katz. E. (2009): Biofuel Cell Controlled by Enzyme Logic System. J. Am. Chem. Soc. 131(2):826-832 Katz E. Pita M. (2009): Biofuel Cells controlled by Logically Processed Biochenecal signals: Towards Physiologically Regulated Bioelectronic Devices. Chemistry. 15(46):12554-12564 Maureen R. Gwinn, Val Vallyathan (2006): Nanoparticles: Health Effects- Pros and Cons. Environmental Health Prespectives, 114, 12:1818-1824