Le nanoparticelle restano imprevedibili
Il comportamento delle piccole particelle nell'ambiente è estremamente complesso. Per comprenderlo in modo completo, attualmente mancano dati sperimentali sistematici, come dimostrano gli scienziati ambientali dell'ETH in un ampio studio d'insieme. Un approccio più standardizzato farebbe progredire il campo della ricerca.
L'industria nanotecnologica è in piena espansione. Ogni anno, in tutto il mondo, vengono prodotte diverse migliaia di tonnellate di nanoparticelle artificiali. Prima o poi, alcune di queste finiscono nell'acqua e nel suolo. Anche per gli esperti è difficile dire con esattezza che fine facciano. La questione è complessa, poiché esistono molti tipi diversi di nanoparticelle artificiali. E soprattutto, le particelle si comportano in modo completamente diverso nell'ambiente a seconda delle condizioni prevalenti.
I ricercatori guidati da Martin Scheringer, libero docente presso il Dipartimento di scienze dei sistemi ambientali, hanno voluto fare luce sull'argomento. Hanno cercato modelli in 270 studi scientifici e nei quasi 1000 esperimenti di laboratorio sul comportamento delle nanoparticelle artificiali in essi citati. L'obiettivo era quello di fare previsioni generalmente valide sul comportamento delle particelle.
Le particelle si attaccano a tutto
Tuttavia, quando i ricercatori hanno combinato i dati, hanno trovato un quadro molto eterogeneo. "La situazione è più complessa di quanto molti scienziati avrebbero previsto anni fa", afferma Scheringer. "E dobbiamo renderci conto che non possiamo ancora tracciare un quadro uniforme con i dati a nostra decisione".
Nicole Sani-Kast, dottoranda del gruppo di Scheringer e prima autrice dell'analisi pubblicata sulla rivista PNAS, aggiunge: "Le nanoparticelle artificiali si comportano in modo molto dinamico e sono molto reattive. Le particelle si attaccano a tutto ciò che trovano: ad altre nanoparticelle per formare agglomerati con esse, o ad altre molecole presenti nell'ambiente".
Analisi di rete
L'esatta reazione delle particelle e la loro rapidità dipendono da diversi fattori: l'acidità dell'acqua o del terreno, la concentrazione dei minerali e dei sali presenti e, soprattutto, la composizione delle molecole organiche disciolte nell'acqua o presenti nel terreno. Inoltre, il fatto che le nanoparticelle artificiali siano spesso rivestite in superficie rende le cose ancora più complicate: a seconda delle condizioni ambientali, le particelle mantengono o perdono il loro rivestimento, che a sua volta influenza il loro comportamento di reazione.
Per analizzare i risultati pubblicati in letteratura, la dottoranda Sani-Kast ha applicato per la prima volta in questo campo di ricerca un'analisi di rete, come è noto, ad esempio, dalla ricerca sociale per registrare le reti di relazioni sociali. Ciò le ha permesso di dimostrare che i dati disponibili non sono molto diversificati, coerenti o strutturati.
Più sistematica per l'apprendimento automatico
"Se fossero disponibili dati strutturati, più coerenti e sufficientemente diversificati, sarebbe possibile scoprire modelli generalizzati utilizzando metodi di apprendimento automatico", afferma Scheringer. "Prima di tutto, dovrebbero essere disponibili dati sperimentali sufficientemente strutturati".
"Tuttavia, affinché la comunità scientifica possa condurre tali esperimenti in modo sistematico e standardizzato, sarebbe probabilmente necessario un qualche tipo di coordinamento", aggiunge la dottoranda Sani-Kast, che però sa che questo tipo di lavoro è difficile da coordinare. ? più nella natura e nella preferenza degli scienziati sviluppare nuovi metodi e indagare su condizioni ambientali precedentemente non analizzate che condurre esperimenti standardizzati di routine".
Distinguere le nanoparticelle artificiali da quelle naturali
Oltre alla mancanza di sistematicità, esiste un secondo problema tangibile nella ricerca del comportamento delle nanoparticelle artificiali: Molte nanoparticelle artificiali sono costituite da elementi e composti chimici presenti naturalmente nell'ambiente. Distinguere le particelle artificiali nell'ambiente da quelle naturali è stato difficile utilizzando i precedenti metodi di misurazione.
Tuttavia, i ricercatori del Dipartimento di chimica e scienze biologiche applicate dell'ETH di Zurigo, guidati dal professore Detlef Günther, hanno recentemente messo a punto un potente metodo che consente di differenziare le particelle nelle analisi di routine. Gli scienziati hanno utilizzato una tecnica di spettrometria di massa all'avanguardia e altamente sensibile (chiamata spettrometria di massa spICP-TOF). Ciò consente di determinare di quali elementi chimici è composta ogni singola nanoparticella di un campione.
In collaborazione con scienziati dell'Università di Vienna, i ricercatori dell'ETH hanno applicato il metodo a campioni di terreno contenenti nanoparticelle naturali con l'elemento chimico cerio, in cui hanno mescolato nanoparticelle artificiali di biossido di cerio. Utilizzando i metodi di apprendimento automatico - che si prestavano perfettamente a questo particolare problema - i ricercatori sono stati in grado di identificare le differenze nelle impronte chimiche delle due classi di particelle. "Mentre le nanoparticelle prodotte artificialmente sono spesso costituite da un singolo composto, le nanoparticelle naturali contengono solitamente una serie di elementi chimici aggiuntivi", spiega Alexander Gundlach-Graham, postdoc nel gruppo di Günther.
Il nuovo metodo di misurazione è molto sensibile: gli scienziati sono riusciti a misurare le particelle artificiali in campioni con un numero di particelle naturali fino a cento volte superiore.
Riferimenti bibliografici
Sani-Kast N, Labille J, Ollivier P, Slomberg D, Hungerbühler K, Scheringer M: A network perspective reveals decreasing material diversity in studies on nanoparticle interactions with dissolved organic matter. PNAS 2017, 114: E1756-E1765, DOI: pagina esterna10.1073/pnas.1608106114
Praetorius A, Gundlach-Graham A, Goldberg E, Fabienke W, Navratilova J, Gondikas A, Kaegi R, Günther D, Hofmann T, von der Kammer F: Single-particle multi-element fingerprinting (spMEF) using inductively-coupled plasma time-of-flight mass spectrometry (ICP-TOFMS) to identify engineered nanoparticles against the elevated natural background in soils. Environonmental Science: Nano 2017, 4: 307-314, DOI: pagina esterna10.1039/c6en00455e