Nanomateriais - Nanomaterials

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Os nanomateriais descrevem, em princípio, materiais em que uma única unidade é pequena (em pelo menos uma dimensão) entre 1 e 100 nm (a definição usual de nanoescala ).

A pesquisa de nanomateriais tem uma abordagem baseada na ciência dos materiais para a nanotecnologia , alavancando os avanços na metrologia e síntese de materiais que foram desenvolvidos em apoio à pesquisa de microfabricação . Os materiais com estrutura em nanoescala costumam ter propriedades óticas, eletrônicas, termo-físicas ou mecânicas exclusivas.

Os nanomateriais estão lentamente sendo comercializados e começando a emergir como commodities.

Definição

Na ISO / TS 80004 , nanomaterial é definido como o "material com qualquer dimensão externa na nanoescala ou tendo estrutura interna ou estrutura de superfície na nanoescala", com a nanoescala definida como a "faixa de comprimento aproximadamente de 1 nm a 100 nm". Isso inclui nanoobjetos , que são peças discretas de material, e materiais nanoestruturados , que têm estrutura interna ou de superfície em nanoescala; um nanomaterial pode ser membro de ambas as categorias.

Em 18 de outubro de 2011, a Comissão Europeia adotou a seguinte definição de nanomaterial: "Um material natural, incidental ou manufaturado que contém partículas, em um estado não ligado ou como um agregado ou como um aglomerado e para 50% ou mais das partículas no distribuição de tamanho de número, uma ou mais dimensões externas estão no intervalo de tamanho de 1 nm - 100 nm. Em casos específicos e quando justificado por questões de meio ambiente, saúde, segurança ou competitividade, o limite de distribuição de tamanho de número de 50% pode ser substituído por um limite entre 1% a 50%. "

Fontes

Projetado

Nanomateriais projetados foram deliberadamente projetados e fabricados por humanos para ter certas propriedades necessárias.

Nanomateriais legados são aqueles que estavam em produção comercial antes do desenvolvimento da nanotecnologia como avanços incrementais em relação a outros materiais coloidais ou particulados. Eles incluem nanopartículas de negro de fumo e dióxido de titânio .

Incidental

Os nanomateriais podem ser produzidos involuntariamente como um subproduto de processos mecânicos ou industriais por meio de combustão e vaporização. Fontes de nanopartículas incidentais incluem escapamentos de motores de veículos, fundição, fumos de soldagem, processos de combustão de aquecimento doméstico de combustível sólido e cozimento. Por exemplo, a classe de nanomateriais chamados fulerenos são gerados pela queima de gás, biomassa e vela. Também pode ser um subproduto de produtos de desgaste e corrosão. Nanopartículas atmosféricas acidentais são freqüentemente chamadas de partículas ultrafinas , que são produzidas de forma não intencional durante uma operação intencional e podem contribuir para a poluição do ar .

Natural

Os sistemas biológicos geralmente apresentam nanomateriais naturais e funcionais. A estrutura dos foraminíferos (principalmente giz) e vírus (proteína, capsídeo ), os cristais de cera que cobrem uma folha de lótus ou capuchinha , seda de aranha e ácaro-aranha, o tom azul das tarântulas, as "espátulas" na parte inferior das patas de lagartixa , algumas escamas de asas de borboleta , coloides naturais ( leite , sangue ), materiais córneos ( pele , garras , bicos , penas , chifres , cabelo ), papel , algodão , nácar , corais e até mesmo nossa própria matriz óssea são todos nanomateriais orgânicos naturais .

Os nanomateriais inorgânicos naturais ocorrem através do crescimento do cristal nas diversas condições químicas da crosta terrestre . Por exemplo, as argilas exibem nanoestruturas complexas devido à anisotropia de sua estrutura cristalina subjacente, e a atividade vulcânica pode dar origem a opalas , que são um exemplo de cristais fotônicos de ocorrência natural devido à sua estrutura em nanoescala. Os incêndios representam reações particularmente complexas e podem produzir pigmentos , cimento , sílica pirogênica , etc.

Fontes naturais de nanopartículas incluem incêndios florestais de produtos de combustão, cinzas vulcânicas, pulverização oceânica e a decomposição radioativa do gás radônio . Os nanomateriais naturais também podem ser formados por meio de processos de intemperismo de rochas contendo metais ou ânions, bem como em locais de drenagem ácida de minas .

Galeria de nanomateriais naturais

  • Capsídeo viral

  • " Efeito de lótus ", efeito hidrofóbico com capacidade de autolimpeza

  • Close da parte inferior do pé de uma lagartixa enquanto ela caminha sobre uma parede de vidro (espátula: 200 × 10-15 nm)

  • Micrografia SEM de uma escala de asa de borboleta (× 5000)

  • Pena de pavão (detalhe)

  • Opala de Cristal Brasileira. O jogo de cores é causado pela interferência e difração da luz entre as esferas de sílica (150 - 300 nm de diâmetro).

  • Matiz azul de uma espécie de tarântula (450 nm ± 20 nm)

Tipos

Os nanoobjetos são frequentemente classificados de acordo com quantas de suas dimensões se enquadram na nanoescala. Uma nanopartícula é definida como um nano-objeto com todas as três dimensões externas na nanoescala, cujos eixos mais longos e mais curtos não diferem significativamente. Uma nanofibra tem duas dimensões externas na nanoescala, com os nanotubos sendo nanofibras ocas e os nanobastões sendo nanofibras sólidas. Uma nanoplaca / nanofolha tem uma dimensão externa na nanoescala e, se as duas dimensões maiores forem significativamente diferentes, ela é chamada de nanofita . Para nanofibras e nanoplacas, as outras dimensões podem ou não estar em nanoescala, mas devem ser significativamente maiores. Em todos os casos, nota-se que uma diferença significativa é tipicamente pelo menos um fator de 3.

Os materiais nanoestruturados são frequentemente classificados pelas fases da matéria que contêm. Um nanocompósito é um sólido contendo pelo menos uma região fisicamente ou quimicamente distinta, ou coleção de regiões, tendo pelo menos uma dimensão na nanoescala. Uma nanoespuma tem uma matriz líquida ou sólida, preenchida com uma fase gasosa, onde uma das duas fases tem dimensões em nanoescala. Um material nanoporoso é um material sólido que contém nanoporos , vazios na forma de poros abertos ou fechados de escalas de comprimento submícron. Um material nanocristalino tem uma fração significativa de grãos de cristal na nanoescala.

Materiais nanoporosos

Artigo principal: materiais nanoporosos

O termo materiais nanoporosos contém subconjuntos de materiais microporosos e mesoporosos. Os materiais microporosos são materiais porosos com um tamanho médio de poro menor que 2 nm, enquanto os materiais mesoporosos são aqueles com tamanhos de poros na região de 2-50 nm. Os materiais microporosos exibem tamanhos de poros com escala de comprimento comparável a moléculas pequenas. Por esta razão, tais materiais podem servir a aplicações valiosas, incluindo membranas de separação. Materiais mesoporosos são interessantes para aplicações que requerem áreas de superfície altamente específicas, enquanto permitem a penetração de moléculas que podem ser muito grandes para entrar nos poros de um material microporoso. Em algumas fontes, materiais nanoporosos e nanoespuma são às vezes considerados nanoestruturas, mas não nanomateriais, porque apenas os vazios e não os próprios materiais são nanoescala. Embora a definição ISO considere apenas nanoobjetos redondos como nanopartículas , outras fontes usam o termo nanopartícula para todas as formas.

Nanopartículas

Artigo principal: Nanopartícula

As nanopartículas têm todas as três dimensões na nanoescala. As nanopartículas também podem ser incorporadas em um sólido a granel para formar um nanocompósito.


Fulerenos

Artigo principal: Fulereno

Os fulerenos são uma classe de alótropos de carbono que, conceitualmente, são folhas de grafeno enroladas em tubos ou esferas. Isso inclui os nanotubos de carbono (ou nanotubos de silício ), que são de interesse tanto por sua resistência mecânica quanto por suas propriedades elétricas.

Visão rotativa do C 60 , um tipo de fulereno

A primeira molécula de fulereno a ser descoberta, e homônimo da família, buckminsterfullerene (C 60 ), foi preparada em 1985 por Richard Smalley , Robert Curl , James Heath , Sean O'Brien e Harold Kroto na Rice University . O nome foi uma homenagem a Buckminster Fuller , cujas cúpulas geodésicas ele se assemelha. Desde então, descobriu-se que os fulerenos ocorrem na natureza. Mais recentemente, os fulerenos foram detectados no espaço sideral.

Na última década, as propriedades químicas e físicas dos fulerenos têm sido um tema quente no campo da pesquisa e do desenvolvimento, e provavelmente continuarão a sê-lo por um longo tempo. Em abril de 2003, os fulerenos estavam sendo estudados para uso medicinal potencial : ligação de antibióticos específicos à estrutura de bactérias resistentes e até mesmo atingir certos tipos de células cancerosas, como o melanoma . A edição de outubro de 2005 da Chemistry and Biology contém um artigo que descreve o uso de fulerenos como agentes antimicrobianos ativados por luz . No campo da nanotecnologia , a resistência ao calor e a supercondutividade estão entre as propriedades que atraem intensas pesquisas.

Um método comum usado para produzir fulerenos é enviar uma grande corrente entre dois eletrodos de grafite próximos em uma atmosfera inerte. O arco de plasma de carbono resultante entre os eletrodos se resfria em um resíduo de fuligem, do qual muitos fulerenos podem ser isolados.

Muitos cálculos foram feitos usando métodos quânticos ab-initio aplicados a fulerenos. Pelos métodos DFT e TDDFT podem-se obter espectros de IV , Raman e UV . Os resultados de tais cálculos podem ser comparados com os resultados experimentais.

Nanopartículas à base de metal

Os nanomateriais inorgânicos (por exemplo , pontos quânticos , nanofios e nanobastões ), devido às suas interessantes propriedades ópticas e elétricas, podem ser usados ​​em optoeletrônica . Além disso, as propriedades ópticas e eletrônicas dos nanomateriais que dependem de seu tamanho e forma podem ser ajustadas por meio de técnicas sintéticas. Existem possibilidades de usar esses materiais em dispositivos optoeletrônicos baseados em material orgânico, como células solares orgânicas , OLEDs , etc. Os princípios de operação de tais dispositivos são governados por processos fotoinduzidos, como transferência de elétrons e transferência de energia. O desempenho dos dispositivos depende da eficiência do processo fotoinduzido responsável pelo seu funcionamento. Portanto, é necessário um melhor entendimento desses processos fotoinduzidos em sistemas compostos de nanomateriais orgânicos / inorgânicos para poder utilizá-los em dispositivos optoeletrônicos.

Nanopartículas ou nanocristais feitos de metais, semicondutores ou óxidos são de particular interesse por suas propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas, ópticas, químicas e outras. Nanopartículas têm sido usadas como pontos quânticos e como catalisadores químicos , como catalisadores baseados em nanomateriais . Recentemente, uma gama de nanopartículas é extensivamente investigada para aplicações biomédicas , incluindo engenharia de tecidos , administração de drogas , biossensores .

As nanopartículas são de grande interesse científico, pois são efetivamente uma ponte entre os materiais a granel e as estruturas atômicas ou moleculares . Um material a granel deve ter propriedades físicas constantes, independentemente de seu tamanho, mas em escala nanométrica esse geralmente não é o caso. Propriedades dependentes do tamanho são observadas, como confinamento quântico em partículas semicondutoras , ressonância plasmônica de superfície em algumas partículas de metal e superparamagnetismo em materiais magnéticos .

As nanopartículas exibem várias propriedades especiais em relação ao material a granel. Por exemplo, a curvatura do cobre em massa (fio, fita, etc.) ocorre com o movimento de átomos / aglomerados de cobre em cerca da escala de 50 nm. Nanopartículas de cobre menores que 50 nm são consideradas materiais superduros que não apresentam a mesma maleabilidade e ductilidade que o cobre em massa. A mudança nas propriedades nem sempre é desejável. Materiais ferroelétricos menores que 10 nm podem mudar sua direção de polarização usando energia térmica à temperatura ambiente, tornando-os inúteis para armazenamento de memória. Suspensões de nanopartículas são possíveis porque a interação da superfície da partícula com o solvente é forte o suficiente para superar as diferenças de densidade , que geralmente resultam em um material afundando ou flutuando em um líquido. As nanopartículas costumam ter propriedades visuais inesperadas porque são pequenas o suficiente para confinar seus elétrons e produzir efeitos quânticos. Por exemplo, nanopartículas de ouro aparecem de vermelho escuro a preto em solução.

A razão frequentemente muito alta entre a área de superfície e o volume das nanopartículas fornece uma tremenda força motriz para a difusão , especialmente em temperaturas elevadas. A sinterização é possível em temperaturas mais baixas e em durações mais curtas do que para partículas maiores. Teoricamente, isso não afeta a densidade do produto final, embora as dificuldades de fluxo e a tendência de aglomeração das nanopartículas complicem as coisas. Os efeitos de superfície das nanopartículas também reduzem a incipiente temperatura de fusão .

Nanoestruturas unidimensionais

Os menores fios cristalinos possíveis com seção transversal tão pequena quanto um único átomo podem ser projetados em confinamento cilíndrico. Os nanotubos de carbono , uma nanoestrutura semi-1D natural, podem ser usados ​​como um modelo para a síntese. O confinamento fornece estabilização mecânica e impede a desintegração das cadeias atômicas lineares; outras estruturas de nanofios 1D são previstas para serem mecanicamente estáveis, mesmo após o isolamento dos modelos.

Nanoestruturas bidimensionais

Os materiais 2D são materiais cristalinos que consistem em uma única camada bidimensional de átomos. O grafeno representativo mais importante foi descoberto em 2004. Filmes finos com espessuras em nanoescala são considerados nanoestruturas, mas às vezes não são considerados nanomateriais porque não existem separadamente do substrato.

Materiais nanoestruturados a granel

Alguns materiais a granel contêm recursos em nanoescala, incluindo nanocompósitos , materiais nanocristalinos , filmes nanoestruturados e superfícies nanotexturadas .

A nanoestrutura de grafeno em forma de caixa (BSG) é um exemplo de nanomaterial 3D. A nanoestrutura BSG apareceu após a clivagem mecânica da grafite pirolítica . Esta nanoestrutura é um sistema multicamadas de nanocanais ocos paralelos localizados ao longo da superfície e com seção transversal quadrangular. A espessura das paredes do canal é aproximadamente igual a 1 nm. A largura típica das facetas do canal é de cerca de 25 nm.

Formulários

Artigo principal: Aplicações da nanotecnologia

Os nanomateriais são usados ​​em uma variedade de processos de fabricação, produtos e cuidados com a saúde, incluindo tintas, filtros, isolamento e aditivos lubrificantes. Na área da saúde, as nanozimas são nanomateriais com características semelhantes às enzimas. Eles são um tipo emergente de enzima artificial , que tem sido usada para amplas aplicações, como biossensorio, bioimagem, diagnóstico de tumor, antibiofouling e muito mais. Filtros de alta qualidade podem ser produzidos usando nanoestruturas, esses filtros são capazes de remover partículas tão pequenas quanto um vírus, como visto em um filtro de água criado pela Seldon Technologies. Biorreator de membrana de nanomateriais (NMs-MBR), a próxima geração de MBR convencional , foi recentemente proposto para o tratamento avançado de águas residuais. No campo da purificação do ar, a nanotecnologia foi usada para combater a disseminação do MERS nos hospitais da Arábia Saudita em 2012. Os nanomateriais estão sendo usados ​​em tecnologias de isolamento modernas e seguras para humanos; no passado, eram encontrados em isolamento à base de amianto. Como aditivo lubrificante, os nanomateriais têm a capacidade de reduzir o atrito nas peças móveis. Peças desgastadas e corroídas também podem ser reparadas com nanopartículas anisotrópicas de automontagem chamadas TriboTEX. Os nanomateriais também foram aplicados em uma variedade de indústrias e produtos de consumo. Nanopartículas minerais, como óxido de titânio, têm sido usadas para melhorar a proteção UV em filtros solares. Na indústria do esporte, os morcegos mais leves foram produzidos com nanotubos de carbono para melhorar o desempenho. Outra aplicação é nas forças armadas, onde nanopartículas de pigmentos móveis têm sido usadas para criar uma camuflagem mais eficaz. Os nanomateriais também podem ser usados ​​em aplicações de catalisador de três vias (TWC). Os conversores TWC têm a vantagem de controlar a emissão de óxidos de nitrogênio (NOx), que são precursores da chuva ácida e da poluição atmosférica. Na estrutura do núcleo-concha, os nanomateriais formam a concha como suporte do catalisador para proteger os metais nobres, como paládio e ródio. A principal função é que os suportes possam ser usados ​​para transportar os componentes ativos dos catalisadores, tornando-os altamente dispersos, reduzindo o uso de metais nobres, aumentando a atividade dos catalisadores e melhorando a resistência mecânica.

Síntese

O objetivo de qualquer método sintético para nanomateriais é produzir um material que exiba propriedades que são resultado de sua escala de comprimento característica estar na faixa nanométrica (1 - 100 nm). Consequentemente, o método sintético deve exibir controle de tamanho nesta faixa de modo que uma propriedade ou outra possa ser atingida. Freqüentemente, os métodos são divididos em dois tipos principais, "ascendente" e "descendente".

Métodos ascendentes

Os métodos ascendentes envolvem a montagem de átomos ou moléculas em matrizes nanoestruturadas. Nestes métodos, as fontes de matéria-prima podem estar na forma de gases, líquidos ou sólidos. Os últimos requerem algum tipo de desmontagem antes de sua incorporação em uma nanoestrutura. Os métodos ascendentes geralmente se enquadram em duas categorias: caóticos e controlados.

Os processos caóticos envolvem elevar os átomos ou moléculas constituintes a um estado caótico e, em seguida, alterar repentinamente as condições de modo a tornar esse estado instável. Por meio da manipulação inteligente de qualquer número de parâmetros, os produtos se formam em grande parte como resultado da cinética de seguro. O colapso do estado caótico pode ser difícil ou impossível de controlar e, portanto, as estatísticas de conjunto geralmente governam a distribuição de tamanho e o tamanho médio resultantes. Consequentemente, a formação de nanopartículas é controlada por meio da manipulação do estado final dos produtos. Exemplos de processos caóticos são ablação a laser, explosão de fio, arco, pirólise de chama, combustão e técnicas de síntese de precipitação.

Os processos controlados envolvem a entrega controlada dos átomos ou moléculas constituintes ao (s) sítio (s) de formação das nanopartículas, de modo que as nanopartículas possam crescer até os tamanhos prescritos de maneira controlada. Geralmente, o estado dos átomos ou moléculas constituintes nunca está longe do necessário para a formação das nanopartículas. Consequentemente, a formação de nanopartículas é controlada pelo controle do estado dos reagentes. Exemplos de processos controlados são solução de crescimento autolimitada, deposição de vapor químico autolimitada , técnicas de laser de femtossegundo de pulso moldado e epitaxia de feixe molecular .

Métodos de cima para baixo

Métodos de cima para baixo adotam alguma 'força' (por exemplo, força mecânica, laser) para quebrar materiais a granel em nanopartículas. Um método popular envolve a separação mecânica de materiais a granel em nanomateriais é o 'moinho de bolas'. Além disso, as nanopartículas também podem ser feitas por ablação a laser que aplica lasers de pulso curto (por exemplo, laser de femtossegundo) para fazer a ablação de um alvo (sólido).

Caracterização

Artigos principais: Nanometrologia e caracterização de nanopartículas

Novos efeitos podem ocorrer em materiais quando estruturas são formadas com tamanhos comparáveis ​​a qualquer uma das muitas escalas de comprimento possíveis , como o comprimento de onda de de Broglie dos elétrons ou os comprimentos de onda ópticos dos fótons de alta energia. Nestes casos, os efeitos da mecânica quântica podem dominar as propriedades dos materiais. Um exemplo é o confinamento quântico, onde as propriedades eletrônicas dos sólidos são alteradas com grandes reduções no tamanho das partículas. As propriedades ópticas das nanopartículas, por exemplo, fluorescência , também se tornam uma função do diâmetro da partícula. Esse efeito não entra em ação passando das dimensões macrossocópica para micrométrica, mas torna-se pronunciado quando a escala nanométrica é atingida.

Além das propriedades ópticas e eletrônicas, as novas propriedades mecânicas de muitos nanomateriais são objeto de pesquisas em nanomecânica . Quando adicionadas a um material a granel, as nanopartículas podem influenciar fortemente as propriedades mecânicas do material, como a rigidez ou elasticidade. Por exemplo, os polímeros tradicionais podem ser reforçados por nanopartículas (como nanotubos de carbono ), resultando em novos materiais que podem ser usados ​​como substitutos leves para metais. Esses materiais compósitos podem permitir uma redução de peso acompanhada por um aumento na estabilidade e funcionalidade aprimorada.

Finalmente, materiais nanoestruturados com tamanho de partícula pequeno, como zeólitas e amianto , são usados ​​como catalisadores em uma ampla gama de reações químicas industriais críticas. O desenvolvimento de tais catalisadores pode formar a base de processos químicos mais eficientes e ecológicos.

As primeiras observações e medidas de tamanho de nanopartículas foram feitas durante a primeira década do século XX. Zsigmondy fez estudos detalhados de sóis de ouro e outros nanomateriais com tamanhos de até 10 nm e menos. Ele publicou um livro em 1914. Ele usou um ultramicroscópio que emprega um método de campo escuro para ver partículas com tamanhos muito menores do que o comprimento de onda da luz .

Existem técnicas tradicionais desenvolvidas durante o século 20 na ciência de interface e colóide para caracterizar nanomateriais. Eles são amplamente usados ​​para nanomateriais passivos de primeira geração especificados na próxima seção.

Esses métodos incluem várias técnicas diferentes para caracterizar a distribuição do tamanho de partícula . Essa caracterização é imprescindível porque muitos materiais que se espera sejam de tamanho nano são, na verdade, agregados em soluções. Alguns dos métodos são baseados na dispersão de luz . Outros aplicam ultrassom , como espectroscopia de atenuação de ultrassom para testar nanodispersões e microemulsões concentradas.

Existe também um grupo de técnicas tradicionais para caracterizar a carga superficial ou potencial zeta de nanopartículas em soluções. Essas informações são necessárias para a adequada estabilização do sistema, evitando sua agregação ou floculação . Esses métodos incluem microeletroforese , espalhamento de luz eletroforética e eletroacústica . O último, por exemplo, o método da corrente de vibração coloidal , é adequado para caracterizar sistemas concentrados.

Uniformidade

O processamento químico e a síntese de componentes tecnológicos de alto desempenho para os setores privado, industrial e militar requerem o uso de cerâmicas , polímeros , vitrocerâmicas e materiais compostos de alta pureza . Em corpos condensados ​​formados a partir de pós finos, os tamanhos e formas irregulares das nanopartículas em um pó típico geralmente levam a morfologias de empacotamento não uniformes que resultam em variações de densidade de empacotamento no compacto de pó.

A aglomeração descontrolada de pós devido às forças atrativas de van der Waals também pode dar origem a desomogeneidades microestruturais. As tensões diferenciais que se desenvolvem como resultado de encolhimento de secagem não uniforme estão diretamente relacionadas à taxa na qual o solvente pode ser removido e, portanto, altamente dependente da distribuição de porosidade . Tais tensões foram associadas a uma transição de plástico para frágil em corpos consolidados e podem ceder à propagação de rachaduras no corpo não queimado se não forem aliviadas.

Além disso, quaisquer flutuações na densidade de empacotamento no compacto conforme ele é preparado para o forno são frequentemente amplificadas durante o processo de sinterização , resultando em densificação não homogênea. Alguns poros e outros defeitos estruturais associados a variações de densidade mostraram desempenhar um papel prejudicial no processo de sinterização, aumentando e, assim, limitando as densidades de ponto final. Também foi demonstrado que tensões diferenciais decorrentes da densificação não homogênea resultam na propagação de trincas internas, tornando-se, assim, as falhas que controlam a resistência.

Seria, portanto, desejável processar um material de tal maneira que seja fisicamente uniforme no que diz respeito à distribuição de componentes e porosidade, em vez de usar distribuições de tamanho de partícula que irão maximizar a densidade verde. A contenção de um conjunto uniformemente disperso de partículas de interação forte em suspensão requer controle total sobre as interações partícula-partícula. Vários dispersantes, como citrato de amônio (aquoso) e imidazolina ou álcool oleílico (não aquoso), são soluções promissoras como possíveis aditivos para maior dispersão e desaglomeração. Monodispersas nanopartículas e colóides fornecer esse potencial.

Pós monodispersos de sílica coloidal , por exemplo, podem portanto ser estabilizados suficientemente para assegurar um alto grau de ordem no cristal coloidal ou sólido coloidal policristalino que resulta da agregação. O grau de ordem parece ser limitado pelo tempo e espaço permitidos para que correlações de longo alcance sejam estabelecidas. Essas estruturas coloidais policristalinas defeituosas parecem ser os elementos básicos da ciência dos materiais coloidais submicrométricos e, portanto, fornecem a primeira etapa no desenvolvimento de uma compreensão mais rigorosa dos mecanismos envolvidos na evolução microestrutural em materiais e componentes de alto desempenho.

Nanomateriais em artigos, patentes e produtos

A análise quantitativa de nanomateriais mostrou que nanopartículas, nanotubos, materiais nanocristalinos, nanocompósitos e grafeno foram mencionados em 400000, 181000, 144000, 140000 e 119000 artigos indexados por ISI, respectivamente, em setembro de 2018. No que diz respeito às patentes, nanopartículas, nanotubos, nanocompósitos, grafeno e nanofios desempenharam um papel em 45600, 32100, 12700, 12500 e 11800 patentes, respectivamente. O monitoramento de aproximadamente 7.000 produtos comerciais baseados em nanopartículas disponíveis nos mercados globais revelou que as propriedades de cerca de 2.330 produtos foram ativadas ou aprimoradas com o auxílio de nanopartículas. Lipossomas, nanofibras, nanocolóides e aerogéis também foram os nanomateriais mais comuns em produtos de consumo.

O Observatório da União Europeia para Nanomateriais (EUON) produziu uma base de dados ( NanoData ) que fornece informações sobre patentes, produtos e publicações de investigação específicos sobre nanomateriais.

Saúde e segurança

Artigo principal: Riscos de saúde e segurança dos nanomateriais

Diretrizes da Organização Mundial de Saúde

A Organização Mundial da Saúde (OMS) publicou uma diretriz sobre a proteção dos trabalhadores do risco potencial dos nanomateriais manufaturados no final de 2017. A OMS usou uma abordagem de precaução como um de seus princípios orientadores. Isso significa que a exposição deve ser reduzida, apesar da incerteza sobre os efeitos adversos à saúde, quando houver indicações razoáveis ​​para isso. Isso é destacado por estudos científicos recentes que demonstram a capacidade das nanopartículas de cruzar as barreiras celulares e interagir com as estruturas celulares. Além disso, a hierarquia de controles era um princípio orientador importante. Isso significa que, quando houver escolha entre as medidas de controle, as medidas mais próximas da raiz do problema devem ser sempre preferidas às medidas que sobrecarregam os trabalhadores, como o uso de equipamentos de proteção individual (EPI). A OMS encomendou revisões sistemáticas para todas as questões importantes para avaliar o estado atual da ciência e informar as recomendações de acordo com o processo estabelecido no Manual da OMS para o desenvolvimento de diretrizes. As recomendações foram classificadas como "fortes" ou "condicionais" dependendo da qualidade da evidência científica, valores e preferências e custos relacionados à recomendação.

As diretrizes da OMS contêm as seguintes recomendações para o manuseio seguro de nanomateriais manufaturados (MNMs)

A. Avaliar os riscos para a saúde dos MNMs

  1. A OMS recomenda atribuir classes de perigo a todos os MNMs de acordo com o Sistema Globalmente Harmonizado (GHS) de Classificação e Rotulagem de Produtos Químicos para uso em fichas de dados de segurança. Para um número limitado de MNMs, esta informação está disponível nas diretrizes (forte recomendação, evidência de qualidade moderada).
  2. A OMS recomenda atualizar as fichas de dados de segurança com informações de perigo específicas de MNM ou indicando quais endpoints toxicológicos não tinham testes adequados disponíveis (forte recomendação, evidência de qualidade moderada).
  3. Para os grupos de fibras respiráveis ​​e partículas biopersistentes granulares, o GDG sugere o uso da classificação disponível de MNMs para classificação provisória de nanomateriais do mesmo grupo (recomendação condicional, evidência de baixa qualidade).

B. Avaliar a exposição a MNMs

  1. A OMS sugere avaliar a exposição dos trabalhadores em locais de trabalho com métodos semelhantes aos usados ​​para o valor do limite de exposição ocupacional específico (OEL) proposto do MNM (recomendação condicional, evidência de baixa qualidade).
  2. Como não há valores regulatórios específicos de OEL para MNMs em locais de trabalho, a OMS sugere avaliar se a exposição no local de trabalho excede um valor OEL proposto para o MNM. Uma lista de valores OEL propostos é fornecida em um anexo das diretrizes. O OEL escolhido deve ser pelo menos tão protetor quanto um OEL legalmente obrigatório para a forma em massa do material (recomendação condicional, evidência de baixa qualidade).
  3. Se OELs específicos para MNMs não estiverem disponíveis nos locais de trabalho, a OMS sugere uma abordagem em etapas para a exposição por inalação com, primeiro, uma avaliação do potencial de exposição; em segundo lugar, realizar uma avaliação básica da exposição e, em terceiro lugar, realizar uma avaliação abrangente da exposição, como as propostas pela Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE) ou o Comité Européen de Normalization (o Comitê Europeu de Normalização, CEN) (recomendação condicional, evidência de qualidade moderada )
  4. Para a avaliação da exposição dérmica, a OMS descobriu que não havia evidências suficientes para recomendar um método de avaliação da exposição dérmica em vez de outro.

C. Controle de exposição a MNMs

  1. Com base em uma abordagem de precaução, a OMS recomenda focar o controle da exposição na prevenção da exposição por inalação com o objetivo de reduzi-la ao máximo (recomendação forte, evidência de qualidade moderada).
  2. A OMS recomenda a redução da exposição a uma variedade de MNMs que foram consistentemente medidos nos locais de trabalho, especialmente durante a limpeza e manutenção, coleta de material de vasos de reação e alimentação de MNMs no processo de produção. Na ausência de informações toxicológicas, a OMS recomenda a implementação do mais alto nível de controles para evitar qualquer exposição aos trabalhadores. Quando houver mais informações disponíveis, a OMS recomenda uma abordagem mais personalizada (recomendação forte, evidência de qualidade moderada).
  3. A OMS recomenda a tomada de medidas de controle com base no princípio da hierarquia de controles, ou seja, a primeira medida de controle deve ser eliminar a fonte de exposição antes de implementar medidas de controle mais dependentes do envolvimento do trabalhador, sendo o EPI utilizado apenas como último recurso. De acordo com este princípio, controles de engenharia devem ser usados ​​quando há um alto nível de exposição por inalação ou quando não há, ou há muito pouca, informação toxicológica disponível. Na ausência de controles de engenharia apropriados, o EPI deve ser usado, especialmente proteção respiratória, como parte de um programa de proteção respiratória que inclui teste de ajuste (forte recomendação, evidência de qualidade moderada).
  4. A OMS sugere a prevenção da exposição dérmica por meio de medidas de higiene ocupacional, como limpeza de superfícies e o uso de luvas adequadas (recomendação condicional, evidência de baixa qualidade).
  5. Quando a avaliação e medição por um especialista em segurança no local de trabalho não estão disponíveis, a OMS sugere o uso de faixas de controle para nanomateriais para selecionar medidas de controle de exposição no local de trabalho. Devido à falta de estudos, a OMS não pode recomendar um método de controle de faixas em detrimento de outro (recomendação condicional, evidência de qualidade muito baixa).

Para vigilância em saúde, a OMS não pôde fazer uma recomendação para programas de vigilância em saúde específicos para MNM em relação aos programas de vigilância em saúde existentes que já estão em uso devido à falta de evidências. A OMS considera o treinamento de trabalhadores e o envolvimento dos trabalhadores em questões de saúde e segurança como a melhor prática, mas não pode recomendar uma forma de treinamento dos trabalhadores em vez de outra, ou uma forma de envolvimento dos trabalhadores em vez de outra, devido à falta de estudos disponíveis. Espera-se que haja um progresso considerável nos métodos de medição validados e avaliação de risco, e a OMS espera atualizar essas diretrizes em cinco anos, em 2022.

Outras orientações

Como a nanotecnologia é um desenvolvimento recente, os efeitos da exposição a nanomateriais sobre a saúde e a segurança e quais níveis de exposição podem ser aceitáveis ​​são temas de pesquisas em andamento. Dos perigos possíveis, a exposição por inalação parece ser o mais preocupante. Estudos em animais indicam que nanotubos de carbono e nanofibras de carbono podem causar efeitos pulmonares, incluindo inflamação , granulomas e fibrose pulmonar , que eram de potência semelhante ou maior quando comparados com outros materiais fibrogênicos conhecidos , como sílica , amianto e negro de fumo ultrafino . A exposição aguda por inalação de animais saudáveis ​​a nanomateriais inorgânicos biodegradáveis ​​não demonstrou efeitos de toxicidade significativos. Embora a extensão em que os dados de animais podem prever efeitos pulmonares clinicamente significativos em trabalhadores não seja conhecida, a toxicidade observada nos estudos em animais de curto prazo indicam uma necessidade de ação protetora para trabalhadores expostos a esses nanomateriais, embora não haja relatos de efeitos adversos reais à saúde em trabalhadores que usam ou produzem esses nanomateriais eram conhecidos em 2013. As preocupações adicionais incluem contato com a pele e exposição à ingestão, e riscos de explosão de poeira .

Eliminação e substituição são as abordagens mais desejáveis ​​para o controle de perigos . Embora os próprios nanomateriais muitas vezes não possam ser eliminados ou substituídos por materiais convencionais, pode ser possível escolher propriedades da nanopartícula, como tamanho , forma , funcionalização , carga de superfície , solubilidade , aglomeração e estado de agregação para melhorar suas propriedades toxicológicas, mantendo o funcionalidade desejada. Os procedimentos de manuseio também podem ser melhorados, por exemplo, o uso de uma pasta ou suspensão de nanomaterial em um solvente líquido em vez de um pó seco reduzirá a exposição à poeira. Os controles de engenharia são mudanças físicas no local de trabalho que isolam os trabalhadores dos perigos, principalmente sistemas de ventilação, como coifas , caixas de luvas , gabinetes de biossegurança e gabinetes de balança ventilados . Os controles administrativos são mudanças no comportamento dos trabalhadores para mitigar um perigo, incluindo treinamento sobre as melhores práticas para manuseio, armazenamento e descarte seguro de nanomateriais, conscientização adequada dos perigos por meio de rotulagem e sinalização de advertência e incentivo a uma cultura geral de segurança . O equipamento de proteção individual deve ser usado no corpo do trabalhador e é a opção menos desejável para controlar os perigos. Os equipamentos de proteção individual normalmente usados ​​para produtos químicos típicos também são apropriados para nanomateriais, incluindo calças compridas, camisas de manga comprida e sapatos fechados, e o uso de luvas de segurança , óculos e jalecos impermeáveis ​​de laboratório . Em algumas circunstâncias, respiradores podem ser usados.

A avaliação da exposição é um conjunto de métodos usados ​​para monitorar a liberação de contaminantes e as exposições aos trabalhadores. Esses métodos incluem amostragem pessoal, em que os amostradores estão localizados na zona de respiração pessoal do trabalhador, geralmente presos ao colarinho de uma camisa para ficar o mais próximo possível do nariz e da boca; e amostragem de área / fundo, onde são colocados em locais estáticos. A avaliação deve usar ambos os contadores de partículas , que monitoram a quantidade em tempo real de nanomateriais e outras partículas de fundo; e amostras baseadas em filtro, que podem ser usadas para identificar o nanomaterial, geralmente usando microscopia eletrônica e análise elementar . Em 2016, os limites quantitativos de exposição ocupacional não foram determinados para a maioria dos nanomateriais. O Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional dos Estados Unidos determinou limites de exposição não regulamentares recomendados para nanotubos de carbono , nanofibras de carbono e dióxido de titânio ultrafino . Agências e organizações de outros países, incluindo o British Standards Institute e o Instituto de Segurança e Saúde Ocupacional na Alemanha, estabeleceram OELs para alguns nanomateriais, e algumas empresas forneceram OELs para seus produtos.

Veja também

Referências

links externos