Des scientifiques de la Northwestern University ont trouvé un moyen de détecter le cancer du sein métastatique en organisant des brins d'ADN en formes sphériques et en les utilisant pour couvrir une minuscule particule d'or, créant une « nano-flare » qui ne s’allume que lorsqu’elle trouve des cellules cancéreuses du sein. Au MIT, les chercheurs tentent d'augmenter la capacité photosynthétique des plantes en incorporant de minuscules tubes de carbone appelés nanotubes dans des chloroplastes. Ils espèrent développer à terme des plantes capables de surveiller la pollution de l'environnement, pesticides, les infections fongiques, ou l'exposition à des toxines bactériennes. Ce ne sont là que deux exemples de recherches en cours en nanotechnologie, l'un des domaines scientifiques à la croissance la plus rapide, l'ingénierie et l'industrie qui sont utilisées chaque jour dans de plus en plus de produits de consommation.

La nanotechnologie englobe la production et la manipulation de matériaux à une échelle minuscule - mesurée en milliardièmes de mètre, ou nanomètres. Cela implique parfois des couches de matériau d'un seul atome d'épaisseur - environ 0,2 nanomètres. Par comparaison, un cheveu humain vaut 80, 000 nanomètres ; une molécule d'ADN mesure 2 à 2,5 nm.

Les nanoparticules existent dans la nature - dans la poussière, feux de forêt, volcans, métaux, etc. Mais la nanotechnologie implique généralement des matériaux manufacturés (qui peuvent inclure des nanoparticules naturelles) avec au moins une dimension mesurant 100 nm ou moins. A l'échelle nanométrique, les lois classiques de la physique ne s'appliquent plus, résultant en un matériau prenant différentes optiques, propriétés électriques ou magnétiques qu'il n'aurait sous une forme plus volumineuse. Cela s'explique en partie par le fait que le matériau à l'échelle nanométrique a une surface relativement plus grande vis-à-vis de son volume que le même matériau sous forme massive.

C'est parce que les nanomatériaux ont ces propriétés altérées qu'ils sont si utiles. Ils peuvent avoir une capacité accrue de conduire ou de résister à l'électricité, excellente pureté des couleurs, capacité de stockage ou de transfert de chaleur améliorée, capacité d'absorption supplémentaire, ou propriétés antibiotiques. A l'échelle nanométrique, le cuivre, normalement opaque, devient transparent; l'aluminium stable devient combustible ; et de l'or, généralement solide, devient un liquide. Argent nano, un antibactérien, est utilisé dans les bandages, chaussettes et emballages alimentaires. Les nanoparticules d'oxyde de zinc sont présentes dans les crèmes solaires et les cosmétiques. Le dioxyde de titane nano est utilisé dans les capsules de médicaments, compléments alimentaires, additifs alimentaires, crèmes pour la peau, et dentifrice; et dans les aliments comme la noix de coco et le yogourt comme agent blanchissant.

La nanotechnologie implique la création de nanostructures comme le graphène à base de carbone (une feuille d'atomes de carbone d'1 atome d'épaisseur) ou les nanotubes de carbone (un tube d'atomes de carbone), qui sont d'excellents conducteurs d'électricité; ainsi que l'utilisation de nanoparticules qui sont combinées avec d'autres matériaux pour optimiser certaines caractéristiques.

Les scientifiques travaillant dans les nanotechnologies utilisent généralement des molécules comme éléments constitutifs. Par exemple, ils peuvent faire quelque chose en partie à partir de silicium, combiné avec une molécule organique et quelques nano widgets pour produire une nanostructure à multiples facettes différente de tout ce que l'on trouve dans la nature, a expliqué James Yardley, directeur général du Nanoscale Science and Engineering Center de l'Université de Columbia. Le choix des matériaux dépend souvent du domaine de recherche. Chercheurs en électronique, par exemple, travaillent souvent avec du silicium ou du carbone; les chercheurs en biotechnologie travaillent avec des molécules organiques plus grosses; et les chercheurs en matériaux pourraient utiliser le fer, acier ou chrome.

Centre de science et d'ingénierie à l'échelle nanométrique de Columbia, l'un des premiers centres de science et d'ingénierie à l'échelle nanométrique créé par la National Nanotechnology Initiative, concentre ses recherches sur l'électronique. Les scientifiques ici, pionniers de la recherche sur le graphène (le matériau le plus résistant connu de l'homme par unité de poids), cherchent à l'utiliser pour remplacer le silicium, essentiel dans les semi-conducteurs et de nombreux produits électroniques. Ils l'utilisent pour développer des applications pour les cellules solaires, écrans tactiles et capteurs. Le centre travaille également avec des nanotubes de carbone, qui permettent le développement de nouveaux appareils électroniques; et la construction de dispositifs photovoltaïques à l'échelle nanométrique pour les rendre beaucoup plus efficaces.

Tous les jours, les scientifiques proposent de nouvelles applications pour la nanotechnologie. Un centre international de nano-recherche a créé un maillage de nanofibres qui peut éliminer les toxines du sang, ce qui pourrait éliminer le besoin de dialyse pour les patients atteints d'insuffisance rénale. Des chercheurs suisses ont récemment réussi à produire des nanocristaux d'antimoine uniformes, qui peut stocker un grand nombre d'ions lithium et sodium, et pourrait un jour être utilisé pour produire des batteries à haute densité énergétique.

À l'avenir, la nanotechnologie devrait rendre les technologies de la communication et de l'information plus rapides et moins chères, et créer des matériaux ultra-durs. En médecine, les nanomatériaux seront utilisés comme de minuscules capteurs pour détecter les maladies ou comme puces pour surveiller les processus corporels, pour implants, et en tant que systèmes d'administration de médicaments pouvant cibler des cellules spécifiques. Les nanomatériaux pourront filtrer les polluants de l'environnement ou les éliminer des effluents résiduaires. La nanotechnologie profitera à l'exploration spatiale en rendant possibles des véhicules plus légers et des systèmes robotiques plus petits. Les nanodétecteurs d'agents chimiques et biologiques amélioreront la sécurité nationale. Certains scientifiques prédisent qu'un jour, ils pourront créer de la nanomatière programmable dont les propriétés peuvent être contrôlées ou modifiées.

"La nanoscience est un exemple d'une véritable frontière en science fondamentale qui a vraiment le potentiel de révolutionner tant d'aspects de l'existence quotidienne, " a déclaré Michael Purdy, vice-président exécutif pour la recherche à l'Université de Columbia. « En quelques décennies, nous verrons des révolutions majeures, et c'est vraiment la physique qui a fourni ces nouvelles percées." Il est particulièrement enthousiasmé par la recherche sur les nouveaux matériaux, qui offre la possibilité de développer des matériaux supraconducteurs et des panneaux solaires toujours plus performants.

Aujourd'hui, il y en a déjà plus de 1, 600 produits sur le marché intégrant des nanomatériaux :fers à friser, réfrigérateurs, cire de voiture, écrans de projection, encres, iPhone, ordinateurs portables, les serviettes, peinture maison, Vêtements, des lunettes de soleil, brosses à dents, sucettes, Lessive, jouets en peluche, raquettes de tennis, spray pour la gorge, contenants alimentaires… et bien d'autres.

Aux Etats-Unis., les fabricants sont responsables de s'assurer que leurs produits répondent à toutes les exigences légales et de sécurité, y compris les produits faisant appel à la nanotechnologie. Il n'y a pas de réglementation spécifique pour les nanotechnologies, ni aucune exigence d'étiquetage pour les produits contenant des nanomatériaux.

Mais en savons-nous suffisamment sur cette nouvelle technologie pour comprendre quels pourraient être les impacts imprévus potentiels sur la santé humaine et l'environnement ? Au fur et à mesure que les nanomatériaux se répandent, le public et ceux qui travaillent avec eux y seront de plus en plus exposés. Depuis 2001, le gouvernement fédéral a investi près de 20 milliards de dollars dans la recherche en nanotechnologie dans le cadre de l'Initiative nationale en nanotechnologie, mais seulement 750 millions de dollars pour l'étude des impacts environnementaux et sanitaires et de la sécurité des nanotechnologies.

Alors que les nanostructures sont généralement intégrées dans des entités plus grandes et restent assez stables, nanoparticules, en raison de leur taille, peut être inhalé, ingéré et absorbé par la peau et les yeux.

Ils peuvent entrer dans les cellules, nerfs, ovaires, les ganglions lymphatiques et les muscles et franchissent la barrière hémato-encéphalique. Ils peuvent s'accumuler dans les poumons, foie ou cerveau. Certaines nanoparticules pourraient affecter le système immunitaire et la capacité des cellules à faire face aux agents pathogènes.

Les chercheurs ont découvert que lorsque les rats inhalaient des nanomatériaux d'oxyde de manganèse inhalés quotidiennement par les soudeurs d'usine, les nanoparticules se sont installées dans leur cerveau et leurs poumons, déclenchant des signes d'inflammation et de stress cellulaire. Testé sur des souris sans poils, nanoparticules de dioxyde de titane, couramment utilisé pour bloquer les rayons du soleil sans la pâte blanche, vieillissement cutané induit. Après avoir mélangé du dioxyde de titane nano dans l'eau potable de souris pendant deux ans, les scientifiques ont découvert que les souris présentaient des dommages importants à l'ADN et aux chromosomes. Les nanotubes de carbone introduits dans l'estomac des souris se sont comportés comme de l'amiante, provoquant une inflammation et des lésions.

Il est inévitable que des nanoparticules artificielles soient progressivement libérées dans l'environnement par des fuites provenant de la production et du transport de produits, usage, et les déchets. Ils entreront dans l'air, sol et eau. Argent nano, qui est un antibiotique, pourrait trouver son chemin depuis les décharges, usines de traitement des eaux usées et usines industrielles dans des écosystèmes où elle pourrait être toxique pour les créatures aquatiques et terrestres.

Le Centre pour les implications environnementales des nanotechnologies, un autre centre créé par l'Initiative nationale de nanotechnologie, étudie le comportement des nanomatériaux et leur potentiel biologique, impacts environnementaux et écologiques.

Sur cinq ans, le centre a exposé des plantes et des microbes au nano-argent et a constaté que même à faible dose, les plantes et microbes produisent environ un tiers de biomasse en moins, qui indique le stress.

En raison de leur surface relativement importante, Les nanoparticules manufacturées sont hautement réactives. Selon l'Initiative nationale de nanotechnologie, les nanomatériaux libérés dans l'environnement peuvent être transformés par des conditions environnementales telles que la température et la salinité, la nature d'un habitat, et la présence d'autres contaminants. Les nanomatériaux transformés peuvent à leur tour altérer l'atmosphère, sol, ou la chimie de l'eau. Et ces transformations peuvent changer la forme des nanomatériaux auxquels les humains et les écosystèmes sont exposés.

Benajamin Bostick, chimiste de l'environnement et professeur agrégé de recherche à l'Observatoire de la Terre Lamont Doherty, étudie comment certaines nanoparticules se transforment dans l'environnement afin de comprendre si elles sont bonnes ou mauvaises, comment ils se déplacent dans l'environnement et leur toxicité.

"Les nanoparticules ne sont pas nécessairement sûres ou dangereuses, " il a dit, "Vous devez savoir quels sont leurs électeurs." Leur toxicité est influencée par leur taille, composition chimique, forme, structure superficielle, charge surfacique, solubilité, comment ils s'agrègent et la présence d'autres produits chimiques.

Une multitude de facteurs doivent être pris en considération lors de l'évaluation de la sécurité et des impacts des nanoparticules, et ils doivent être étudiés dans des environnements réalistes complexes au fil du temps pour prédire avec précision leurs effets. Pour les cinq prochaines années, le Center for the Environmental Implications of Nanotechnology examinera comment les nanomatériaux sont transférés entre les organismes, comment ils se bioaccumulent dans les réseaux trophiques, l'interaction entre les nanoparticules et les contaminants environnementaux, et l'impact de l'exposition à faible dose et à long terme aux nanoparticules sur les écosystèmes.

"Une partie du but de la recherche en cours au centre est d'aider la communauté à définir quelles règles assureront un degré élevé de sécurité… les scientifiques travaillent en étroite collaboration avec l'EPA, et OSHA, et l'ensemble des agences, " dit Yardley.

Les nanomatériaux sont actuellement couverts par diverses lois de la U.S. Environmental Protection Agency (EPA), la Food and Drug Administration (FDA), et l'Administration de la sécurité et de la santé au travail (OSHA), mais les agences commencent à se pencher spécifiquement sur les risques posés par les nanotechnologies.

Bostick a mis en garde contre la peinture de toutes les nanoparticules avec un pinceau large.

« Nous devons réfléchir aux nanoparticules qui sont dangereuses et trouver comment les utiliser en toute sécurité ou trouver des alternatives. Mais nous ne devrions pas regrouper toutes les nanoparticules dans une catégorie afin que les plus sûres ne puissent pas être utilisées. Nous devons faire la distinction entre eux, " il a dit.

L'EPA évalue actuellement les impacts sur la santé et la sécurité de certains nanomatériaux :nanotubes de carbone, oxyde de cérium, le dioxyde de titane, nano-argent, fer et cuivre micronisé. En avril 2012, la FDA a publié deux projets de documents d'orientation sur l'utilisation des nanotechnologies dans les aliments et les cosmétiques. Il a été conseillé aux entreprises utilisant des nanoparticules dans des additifs alimentaires ou des emballages de consulter la FDA et de démontrer que leurs produits sont sûrs avant de les vendre. Les entreprises de cosmétiques utilisant la nanotechnologie ont été invitées à effectuer des tests de sécurité supplémentaires. Aucune directive définitive n'a encore été publiée.

Berkeley, Californie, est la première et la seule ville des États-Unis à réglementer les nanotechnologies. Elle oblige les fabricants et les manipulateurs de nanoparticules à divulguer des données toxicologiques, informations sur l'environnement et la sécurité à la Division de la gestion des substances toxiques de la ville.

Bien que Yardley ait confiance en notre système de réglementation existant et en son fonctionnement, il a reconnu, "Il doit y avoir des changements dans nos définitions réglementaires des matériaux et des catégories… ces choses n'ont pas seulement une composition chimique, mais ils ont une taille et une forme, et fonctionnalisation surfacique, et toutes ces choses déterminent la toxicité des matériaux à l'échelle nanométrique. … Avec certitude, la nature de nos réglementations devra changer, et ils devront tenir compte de ces fonctions. Et nous devrons nous soucier des effets du berceau à la tombe."

Pendant ce temps, les consommateurs qui souhaitent éviter les produits contenant des nanomatériaux ou des nanoparticules devraient éviter les textiles, compléments alimentaires et cosmétiques labellisés « nano, " " ultrafin, " "micronisé" ou "antimicrobien". Évitez les engrais biosolides, parfois appelés engrais « organiques », car ils contiennent souvent du nano-argent. Les produits certifiés biologiques USDA ne contiennent pas de nanomatériaux, mais les cosmétiques « bio » ou « tout naturel » peuvent le faire.