Поведение наночастиц в окружающей среде остаётся непредсказуемым
Поведение искусственных (инженерных) наночастиц в окружающей среде чрезвычайно сложно и непредсказуемо. Как показал масштабный обзорный анализ учёных из ETH Zurich, в настоящее время отсутствуют систематические экспериментальные данные для его всестороннего понимания. Более стандартизированный подход помог бы продвинуться в этой области исследований.
Ежегодно в мире производится несколько тысяч тонн искусственных наночастиц, часть которых неизбежно попадает в водоёмы или почву. Однако даже экспертам сложно точно сказать, что с ними там происходит. Исследователи под руководством Мартина Шерингера проанализировали 270 научных работ, описывающих около 1000 лабораторных экспериментов, в поисках универсальных закономерностей.
Сложная и динамичная картина
Анализ выявил очень неоднородную картину. Ситуация сложнее, чем предполагалось ранее. Инженерные наночастицы ведут себя очень динамично и обладают высокой реакционной способностью. Они присоединяются ко всему, что находят: к другим наночастицам (образуя агломераты) или к другим молекулам в окружающей среде.
На их реакцию и её скорость влияют множество факторов:
- Кислотность (pH) воды или почвы
- Концентрация присутствующих минералов и солей
- Состав растворённых в воде или присутствующих в почве органических веществ
Ситуацию усложняет то, что инженерные наночастицы часто имеют поверхностное покрытие, которое в зависимости от условий среды может сохраняться или теряться, влияя на реакционную способность.
Недостаток данных и новый метод анализа
Применённый впервые в этой области сетевой анализ (network analysis) показал, что имеющиеся данные о наночастицах несогласованны, недостаточно разнообразны и плохо структурированы.
Мартин Шерингер отмечает: «Если бы были доступны более структурированные, последовательные и достаточно разнообразные данные, с помощью методов машинного обучения, возможно, удалось бы обнаружить универсальные закономерности. Но мы ещё не достигли этого». Для этого сначала необходимо накопить достаточный массив структурированных экспериментальных данных, что требует координации усилий научного сообщества.
Проблема различия искусственного и природного
Вторая серьёзная проблема — сложность различения инженерных наночастиц и природных частиц с таким же химическим составом (например, оксида церия, CeO2).
Исследователи из ETH Zurich под руководством профессора Детлефа Гюнтера разработали эффективный метод, делающий такое различие возможным в рутинных исследованиях. Они использовали высокочувствительную масс-спектрометрию (spICP-TOF mass spectrometry) для определения химических элементов в составе отдельных наночастиц в образце.
В сотрудничестве с учёными из Венского университета метод был применён к образцам почвы с природными частицами, содержащими церий, в которые добавили инженерные наночастицы диоксида церия. С помощью машинного обучения удалось выявить различия в химических «отпечатках пальцев» двух классов частиц.
Постдок Александр Гундлах-Грэм объясняет: «В то время как искусственно произведённые наночастицы часто состоят из одного соединения, природные наночастицы обычно содержат ряд дополнительных химических элементов».
Новый метод измерения очень чувствителен: учёные смогли измерить искусственные частицы в образцах, где природных частиц было в сто раз больше.