La nanotechnologie est ancrée dans la société autant que les lettres "n-a-n-o" sont ancrées dans cette nanostructure. La question est, À quel point cette nanotechnologie dans la fenêtre est-elle verte ? Voir plus de photos de science verte. artpartner-images/Getty Images Les fans de science-fiction sont friands de l'idée, écrit par Arthur C. Clarke, que "toute technologie suffisamment avancée est indiscernable de la magie." Avec l'avènement des nanotechnologies, les matériaux apparemment miraculeux, la supraconductivité surnaturelle et la photonique paranormale qui ont alimenté la fantaisie pendant des années semblent être à nos portes.
Tout le monde sait que la magie a un prix, cependant, et certains ont commencé à se demander si, lorsque la poussière colloïdale se dépose de la nanorévolution naissante, le bilan écologique nous montrera en noir -- ou en rouge. Parmi eux se trouvent les scientifiques, ingénieurs et décideurs politiques conduisant la nanotechnologie verte.
Les particules nanométriques n'ont rien d'anormal ou de nouveau. Ils se produisent dans les cendres volcaniques, embruns marins, les composites minéraux et certains types de bactéries, et nous travaillons avec eux depuis au moins le IVe siècle [sources :Goldman et Coussens; NNI, "Nanotechnologie 101"]. Alors qu'est-ce qui a changé ? Les méthodes avancées de microscopie et de manipulation ont atteint un point de basculement, celui qui nous permet d'assembler des jouets bricoleurs à l'échelle d'atomes individuels et de brins d'ADN.
C'est un endroit passionnant.
Un nanomètre est un milliardième de mètre, soit environ 1/100, 000 l'épaisseur d'un morceau de papier. Si une nanoparticule avait la taille d'une bille, alors un mètre serait aussi grand que la Terre [source :NNI, "Nanotechnologie 101"]. Cette taille incroyablement petite n'est que la moitié de l'histoire, toutefois. La vraie magie de l'échelle nanométrique réside dans les règles quantiques queer qui la régissent, et la manière dont ils confèrent aux matériaux des caractéristiques remarquables. Par rapport à leurs équivalents macroscopiques, les nanomatériaux pourraient être plus résistants, mieux conduire la chaleur ou l'électricité, ou ont des propriétés magnétiques différentes.
L'industrie n'a pas tardé à saisir le potentiel. La nanotechnologie a déjà trouvé sa place dans des centaines de produits de consommation et d'applications industrielles, y compris les puces informatiques, automobile, articles de sport, Vêtements, cosmétiques et compléments alimentaires. Encore, nous ne sommes encore qu'au seuil du possible.
Alors que les progrès s'accélèrent, le souci de l'environnement et de la santé publique a suscité un appel à la sécurité environnementale, même bénéfique, recherche et développement à l'échelle nanométrique.
Nanotechnologie verte implique deux objectifs distincts mais liés. D'un côté, les caractéristiques remarquables possibles à l'échelle nanométrique promettent une myriade de façons de rendre les produits et processus existants plus sûrs et plus durables. De l'autre, les chercheurs trouvent de plus en plus des moyens de rendre la nanotechnologie moins toxique tout au long de son cycle de vie. Dans cet article, nous allons faire le tour de la façon dont ces nombreuses approches se déroulent.
Maintenant, faisons comme un lutin et devenons petits et verts.
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La menace d'une catastrophe environnementale engendrée par les nanotechnologies est apparue dans l'opinion publique depuis 1987, lorsqu'Eric Drexler a décrit le scénario de la « glue grise » de la fin du monde dans son livre « Engines of Creation ». Dedans, des nanomachines auto-répliquantes envahissent la planète, se multipliant de façon exponentielle et consommant tout ce qui se trouve en vue, ne laissant rien d'autre que la nanomachine titulaire [sources :Feder ; Drexler].
Depuis, préoccupations plus plausibles, comme le manque d'informations disponibles concernant la toxicité et les effets écologiques à long terme des nanoparticules, ont dominé la discussion, mais il existe également une façon plus écologique de voir cette minuscule technologie. La nanotechnologie peut réellement aider à améliorer l'environnement, à la fois en s'attaquant à des problèmes existants insolubles (appelés problèmes hérités ) et en concevant des solutions durables pour l'avenir.
Les problèmes d'héritage sont tout autour de nous. Alors que la fuite de rayonnement de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi et d'autres incidents dominent l'actualité, des défis de remédiation plus courants sont confrontés quotidiennement aux communautés, du nettoyage des anciennes stations-service à la lutte contre les plus de 1, 500 sites Superfund rien qu'aux États-Unis [source :EPA, « Liste des priorités nationales du Superfund »].
Fer à l'échelle nanométrique offre une approche sûre pour neutraliser les solvants organiques chlorés, pesticides organiques à base de chlore comme le DDT et les polychlorobiphényles (PCB). Ajoutez des nanoparticules de fer au tétrachloroéthène (un solvant couramment utilisé dans le nettoyage à sec) et le fer s'oxyde, ou rouille, libérer des électrons. La réaction engloutit ces électrons, laisser l'éthène, un hydrocarbure naturel.
Les équipes de nettoyage peuvent injecter du fer nanométrique sous pression dans un sol pollué, où sa petite taille lui permet d'être transporté dans les eaux souterraines ou laissé sur place pour un assainissement à long terme. Hors site, ils sont tout aussi utiles dans les réacteurs à lisier ou les systèmes de filtration. Les scientifiques recherchent actuellement des applications pour l'utilisation du fer à l'échelle nanométrique pour traiter également les métaux lourds et les radionucléides [source :Zhang].
Nous pouvons nous tourner vers la nanotechnologie pour répondre à des besoins de santé plus fondamentaux, besoins alimentaires et de sécurité, trop. Par exemple, des systèmes de filtration d'eau à l'échelle nanométrique qui transforment les eaux contaminées, saumâtre ou des eaux usées dans l'eau potable en la filtrant sous pression à travers des pores trop petits pour les bactéries ou les virus sont utilisés depuis plus d'une décennie [source :Bradbury].
Maintenant que nous avons fait le nettoyage et plus encore, examinons certaines des façons dont la nanotechnologie rend notre avenir plus vert, trop.
Solutions antipollutionL'un des principaux moyens par lesquels la nanotechnologie pourrait réduire la pollution est de dématérialisation -- la réduction des matériaux nécessaires à la fabrication. Les produits qui peuvent s'auto-assembler à partir de petits composants utilisent beaucoup moins de matériaux que ceux que nous construisons de haut en bas, qui génèrent des déchets et nécessitent souvent des solvants et des procédés chimiques. Pendant ce temps, les chercheurs développent également des moyens ingénieux de surveiller la pollution, tels que les nanocapteurs qui peuvent détecter biochimiquement la contamination et les agents pathogènes, en temps réel et sur de grandes surfaces [source :EPA, "Nanotechnologie :Capteurs"].
La nanotechnologie promet d'améliorer nos perspectives environnementales en nous permettant d'en avoir plus pour notre argent et en réduisant notre dépendance aux combustibles fossiles. Pour voir comment, pensez à votre voiture familiale. Les véhicules construits même partiellement à partir de nanomatériaux peuvent être plus légers, et donc plus économe en carburant, sans sacrifier la force ou la sécurité. Sous la capuche, les nanofiltres peuvent éliminer la crasse de votre jus de fruits, pour que votre véhicule dégage moins de pollution et souffre moins d'usure de son moteur. Les nanorevêtements peuvent rendre les pare-brise et les travaux de peinture autonettoyants pour démarrer.
Les machines vertes comme les hybrides et les véhicules à hydrogène en bénéficieront encore plus. Les ingénieurs développent déjà des piles à combustible remplies de nanotubes de carbone pour stocker l'hydrogène et augmenter la réactivité. Les nanotubes de carbone pourraient également remplacer un jour le coûteux platine comme catalyseur des piles à combustible à hydrogène, réduire les coûts [source :Battersby].
Grâce à nanophotonique , l'étude du comportement de la lumière à l'échelle nanométrique, la nanotechnologie couvre vos besoins énergétiques à la maison comme au bureau. Les chercheurs ont développé des fenêtres, les peintures et les revêtements en film qu'ils peuvent « régler » pour réfléchir ou transmettre des longueurs d'onde spécifiques du rayonnement solaire, y compris l'énergie infrarouge que nous ressentons sous forme de chaleur [source :Feder]. C'est comme transformer toute votre maison en pare-soleil en été et en couverture spatiale en hiver.
Une nanoélectronique plus efficace se traduira par des gadgets qui avalent moins d'énergie et la stockent plus efficacement - une véritable aubaine à notre époque de gadgets gonzo [source :Chmiola]. Points quantiques , alias nanocristaux semi-conducteurs, pourrait bientôt alimenter une technologie d'affichage qui allie à la fois l'efficacité et la longue durée de vie du bio diodes électroluminescentes ( OLED ) et la durabilité des tubes cathodiques (CRT) et des écrans à cristaux liquides (LCD) [source :Dumé].
Plus loin dans le pipeline énergétique, les nanosciences offrent l'espoir d'augmenter les sources d'énergie alternatives. Les panneaux solaires imprimés à l'aide de nanoparticules nécessitent moins de composants pour fonctionner, ce qui signifie qu'il y a moins à réparer, maintenir ou plus tard enfouir dans une décharge. Avec des coûts d'exploitation réduits, de tels panneaux peuvent produire moins de puissance tout en étant rentables [source :Markoff]. Des chercheurs ont également imaginé un moyen d'extraire de l'énergie de la différence de salinité entre l'eau de mer et l'eau de rivière. La technique repose sur des batteries constituées d'électrodes hérissées de nanotiges [source :La Mantia].
A présent, vous pensez probablement, "C'est bien beau, mais à quel point les solutions nanotechnologiques peuvent-elles être vertes si leur construction crée un gâchis toxique ?" Comme nous le verrons dans la section suivante, de nombreux scientifiques et ingénieurs sont préoccupés par ces mêmes questions, et s'efforcent de rendre la nanotechnologie plus verte dès le départ.
La petite merveille de la superficieLe rapport de la surface de quelque chose à son volume influence son bilan énergétique et sa réactivité. Idéalement, pour construire une électrode ou un catalyseur plus efficace, vous emballeriez simplement autant de surface que possible dans un volume donné. Malheureusement, ce ratio magique diminue à mesure que les choses s'intensifient, surtout dans des formes compactes comme des sphères ou des carrés.
L'astuce consiste à utiliser une forme moins compacte, comme un tube. Comme en témoignent les intestins humains et les brachies pulmonaires, longue, les structures minces bloquent beaucoup de surface dans un petit espace. Avec ça en tête, il n'est pas surprenant que les chercheurs ajoutent actuellement des nanotubes aux LED, réservoirs de carburant, appareils électriques et catalyseurs.
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Compte tenu des ravages environnementaux causés par d'autres substances apparemment bénéfiques, comme le DDT, il n'est pas étonnant que nous accueillons avec scepticisme des inventions étranges comme les nanotubes de carbone et les points quantiques, surtout quand on en sait si peu sur leurs effets à long terme ou leur toxicité [source :Goodman].
Ces inquiétudes sont encore alimentées par des découvertes médicales révélant les effets nocifs de certaines nanoparticules, comme les nanotubes de carbone, qui provoquent des granulomes pulmonaires (sphères de cellules associées à la maladie) lorsqu'ils sont inhalés par des rats. Les effets d'autres nanoparticules restent peu concluants - en particulier chez les humains - mais des études indiquent que des ingrédients nanométriques dans certains écrans solaires causent des lésions cérébrales chez la souris et la truite arc-en-ciel par le biais du stress oxydatif [sources :Karn ; Choi ; Raloff].
Des alternatives naturelles à la fabrication à l'échelle nanométrique peuvent détenir la clé pour atténuer ces problèmes. En cas de crème solaire, par exemple, des chercheurs ont découvert une nanoparticule potentiellement plus sûre dans le lierre anglais. La ténacité notoire de la vigne provient d'une "super colle" jaunâtre exsudée par ses vrilles, qui est composé de nanoparticules quatre fois plus efficaces comme écran solaire que le dioxyde de titane ou l'oxyde de fer. Les particules sont biodégradables, résistant à l'eau et ne bloque que les rayons UV [source :Raloff].
Idéalement, la construction synthétique à l'échelle nanométrique fonctionnerait comme une cellule, en utilisant simplement, substances non toxiques à température ambiante pour assembler un produit à partir de zéro, puis recycler ou détruire efficacement les restes. Jusqu'à ce que de telles techniques soient possibles, les chercheurs verts se tournent de plus en plus vers l'utilisation de procédés naturels pour s'inspirer et pour des alternatives sûres aux solvants et autres procédés dangereux.
Des chercheurs ont déjà trouvé des moyens d'utiliser certaines bactéries pour créer des nanosphères de sélénium, tellure, séléniure de zinc et séléniure de cadmium à température ambiante, réduire le recours aux températures élevées, pressions et produits chimiques dangereux [source :NNI, « Service géologique des États-Unis (USGS) »].
Produits chimiques naturels, tels que les composés phytochimiques naturellement présents dans les plantes, présenter une autre alternative verte. Prenez de l'or à l'échelle nanométrique, une substance ayant des applications dans les piles à combustible, capteurs chimiques et outils biologiques [sources :Tufts; Greenberg]. Ce qui nécessitait autrefois de grandes quantités de solvants toxiques inflammables et explosifs peut maintenant être fabriqué en utilisant uniquement un sel d'or (un composé électriquement neutre de l'or) et une solution de thé Darjeeling, cannelle ou cumin [sources :Schmidt, Nune et al.].
Aussi excitantes que soient les possibilités, à ce jour, les nanotechnologies vertes les plus inspirantes restent dans l'imagination des chercheurs. Si ou quand ils sont développés, ils auront besoin d'un soutien économique et d'un soutien du marché pour les aider à devenir abordables et à se généraliser [source :Goodman].
Jusque là, nous pouvons tous faire notre part pour faire de la Terre un endroit plus durable, à toutes les échelles.
Nanoparticules dans le corps humainParce que les nanoparticules sont si petites, ils ignorent la plupart des structures protectrices du corps, y compris la barrière hémato-encéphalique qui protège notre matière grise contre les substances nocives. En cas d'inhalation ou d'injection, ces minuscules passagers clandestins circulent dans la circulation sanguine et se déposent dans les organes et les tissus, où ils peuvent se construire. Lorsque la réponse immunitaire du corps se déclenche, il peut provoquer une surproduction de certains produits chimiques :ceux nécessaires au métabolisme, mais toxique lorsqu'il est déséquilibré. Ce « stress oxydatif » est particulièrement nocif pour les organes aux besoins métaboliques élevés, comme le cerveau [source :Long].
Sources
