Hvordan oppfører nanorør seg når de havner i vann? Hvordan vil de reagere på andre forurensende stoffer og vil de blir spist av dyr, eller kanskje synke til bunns – uten å gjøre skade? Det er noe av det Sintef-forsker Andy Booth (bildet) har undersøkt. (Foto: Thor Nielsen)
Nanorør tiltrekker seg forurensende stoffer
Disse bittesmå partiklene blir brukt i klær, kosmetikk eller elektronikk fordi de er sterke og veier lite. Nå viser forskning at de tiltrekker seg forurensende stoffer når de havner i vann.
Karbon-nanorør er seks ganger sterkere enn stål, ti ganger lettere og tåler å bøyes. Karbon-nanorør er, som navnet sier, nanometer-tykke rør som er laget av rent, uorganisk (krystallinsk) karbon. Dette er ikke organisk karbon som f.eks. i cellulosefibere, for organisk materiale inneholder også hydrogen og oksygen.
Nanorør likner mer på grafitt. Grafitt er et naturlig mineral som er bygget opp av tynne lag som ligger oppå hverandre i stabler.
Et slikt grafittlag kalles grafén, og er bare ett karbonatom tykt. Atomstrukturen i ett slikt lag likner mønsteret i en bikube med sekskanter i et regelmessig mønster. Dette gjør at overflaten på nanorørene blir svært stor.
Hvis man ruller et slikt grafittflak får man et karbon-nanorør. Avhenging av om man har "rullet opp" røret vinkelrett på sekskantene, eller om man har rullet det opp litt på skrå (se figur), vil nanorørene få metalliske egenskaper eller halvlederegenskaper. Halvledere er stoffer som ikke er gode elektriske ledere i ren form, men som under visse omstendigheter vil kunne lede strøm godt.
Karbon-nanorør er også ekstremt sterke og svært lette. Sammenliknet med stål har de ca. 300 ganger høyere bruddstyrke (tensile strength), samtidig som de har mye bedre elastiske egenskaper og bare veier en fjerdedel.
Et annet viktig aspekt i miljøsammenheng er at karbon-nanorør er ekstremt bestandige og vil passere gjennom enhver form for avfallsbehandling uten å endres, inkludert forbrenning. Dermed ligger veien åpen for akkumulering av karbon-nanorør i miljøet.
Kilde Bioforsk og Wikipedia.
Forskere har undersøkt hva som skjer når de små karbonpartiklene blir liggende i naturen og møter andre forurensende stoffer på sin vei. Nanorørene havner nemlig ofte i vannet vårt etter at de har gjort nytte som super-funksjonelt materiale i enten klær, kosmetikk eller elektronikk.
Det viser seg at de tiltrekker giftige stoffer som fester seg til dem. Om dette er bra eller dårlig nytt for miljøet, er fortsatt uvisst. Det kommer nemlig an på om disse nanorørene tar med seg de giftige stoffene og synker til bunns, eller om de blir spist av organismer og dyr i havet.
I vann nær byen
– Fordi nanopartikler, i dette tilfellet karbonnanorør, er relativt nye materialer, trenger vi også mer kunnskap om hvordan disse nye partiklene oppfører seg i naturen – og hvordan de reagerer på andre forurensende kjemikalier, forklarer Andy Booth i Sintef. Han er kjemiker med en doktorgrad innenfor miljøpåvirkning.
I vannkilder rundt byer og industri er det vanlig å finne forurensende kjemikalier som kommer fra ufullstendig forbrenning, såkalte polysykliske aromatiske hydrokarboner, eller PAH. De kan være resultatet av alt fra oljesøl til røyk fra skorsteiner. PAH finnes i mange varianter, og de regnes som kreftfremkallende –og hydrofobiske. Det betyr at disse forbindelsene egentlig ikke trives i vann og helst vil finne noe annet å binde seg til.
Nå har Booth og hans kolleger interessert seg for hvordan disse nokså vanlige, men forurensende PAH-partiklene oppfører seg i vann når de møter nykommeren karbon-nanorør. Nanorør har nemlig svært stor overflate, og derfor absorberer de andre stoffer lett.
– Vi ønsket å undersøke om de ender i matfatet til dyrene som lever der og eventuelt er giftige, eller om de vil synke til bunns – men også finne ut hvordan vil de reagere med andre forurensende stoffer, forklarer forskeren.
Forsøkene ble gjort i Sintef SeaLab, med alger og den fem millimeter store vannloppen Daphnia magna som forsøksdyr. Vannloppen spiser selv alger, og er forøvrig viktig i næringskilden til blant annet fisk.
I laboratoriet etterliknet forskerne naturen så mye som mulig, blant annet gjennom å tilsette biologisk materiale som finnes i bekker og vassdrag i naturen i forsøksvannet, såkalt humus.
Berit Glomstad ved NTNU jobber med en doktorgrad på temaet, og har vært mye invovlert i de praktiske forsøkene.
– Humusen er en viktig komponent fordi den forandrer oppførselen til nanorørene i naturen. Nanorør er veldig sensitive for miljøforandringer, forklarer Glomstad.
I forkant av forsøkene hadde forskerne to teorier:
Den første teorien er at nanorørene adsorberer de giftige stoffene og synker til bunns, slik at de blir mindre tilgjengelig for levende organismer i vannet, og dermed mindre farlige.
Den andre var at de giftige stoffene adsorberes av karbonnanorørene og dermed er med på å øke konsentrasjonen av disse.
– Nanorørene kan da blir spist av små krepsdyr og lopper som forveksler disse med den naturlige maten sin; nemlig alger. Dette kan føre til at forurensingen frigjøres i kroppen til det lille dyret og dermed blir giftigheten mer alvorlig, presiserer Glomstad.
Her er den lille vannloppen Daphnia utsatt for ulik eksponering av forurensende stoffer og karbonnanorør. Den sorte streken viser oppkonsentrasjon av nanorørene. (Foto: Sintef)
Fordi ulike nanorør oppfører seg ulikt i naturen, ble forsøkene gjennomført med fem ulike typer karbonnanorør. Disse hadde både ulik diameter og ulik oppbygging, de kunne både være enveggede og flerveggede. Noen av nanorørene hadde også en såkalt manipulert overflate som gir dem skreddersydde egenskaper.
Så langt viser forsøkene at alle nanorørene tiltrekker seg de forurensende hydrokarbonene (PAH), slik at disse blir samlet opp på et lite område. De blir altså ikke mer giftige i seg selv, men fordi de blir mange på et lite sted, blir de giftigere for dyr som spiser partiklene.
Det var dårlig nytt for den lille vannloppen: Omtrent halvparten av vannloppene avgikk med laboratoriedøden.
– Samtidig kan man snu på flisa og se for seg at karbonnanorør i framtida brukes til nettopp å rense vann som inneholder mye av de polysykliske aromatiske hydrokarboene, sier prosjektleder Andy Booth i Sintef.
Referanse
Berit Glomstad m.fl: Carbon Nanotube Properties Influence Adsorption of Phenanthrene and Subsequent Bioavailability and Toxicity to Pseudokirchneriella subcapitata. Environmental Science&Technology. 2016. DOI: 10.1021/acs.est.5b05177. Sammendrag.
