Omdat microscopisch kleine materialen zich steeds vaker verspreiden, is het een prioriteit om ervoor te zorgen dat ze veilig zijn

Onderzoekers in Europa werken aan het tegengaan van potentiële risico’s van nanomaterialen die door een reeks industrieën worden gebruikt voor technologische vooruitgang.

Terwijl anderen misschien groot dromen, droomt Dr. Otmar Schmid klein. Dat komt omdat hij werkt aan nanomaterialen, die zo klein zijn dat ze met het blote oog onzichtbaar zijn.

De vraag over de hele wereld naar nanomaterialen groeit. Industrieën zoals de elektronica, de energie, de voeding, de geneeskunde en het transport zijn afhankelijk van nanomaterialen om tal van technologische vooruitgang te boeken.

Nieuwe wereld

Nanomaterialen omvatten synthetische soorten – bijvoorbeeld gemaakt van metalen of koolstof – of natuurlijk voorkomende versies zoals as en cellulose. Ze worden gebruikt in producten variërend van computers en kleding tot fietsen en verf.

Gezien de golven die ze in tal van productiesectoren veroorzaken, worden nanomaterialen door sommigen beschouwd als de basis van een nieuwe industriële revolutie. Door de interacties tussen atomen te beïnvloeden, houden deze materialen de belofte in van talloze nieuwe producten, variërend van betere medicijnen tot schonere energie.

Ze vergroten bijvoorbeeld nu al de hoeveelheid elektriciteit die door zonnepanelen wordt opgewekt en verbeteren de duurzaamheid van bouwmaterialen. Ze zouden net zo goed kunnen leiden tot sneller computergebruik, zelfreinigende kleding en meer op maat gemaakte gezondheidszorg.

De Nobelprijs voor de Scheikunde is toegekend voor wetenschappelijke vooruitgang op het gebied van de nanotechnologie, waarbij drie onderzoekers uit Europa de prijs in 2016 wonnen en drie in de VS gevestigde onderzoekers deze in 2023 claimden.

Toch bevatten deze materialen zulke microscopisch kleine componenten dat traditionele regels op het gebied van productveiligheid mogelijk niet langer van toepassing zijn.

“Er gaat een hele nieuwe wereld open met deze nieuwe materialen”, zegt Schmid, hoofd van de pulmonale aerosolgroep van het Helmholtz Research Center in München, Duitsland. “Veel ervan hebben andere eigenschappen dan conventionele materialen, wat hun risico voor de menselijke gezondheid kan veranderen. Dit betekent niet dat nanomaterialen noodzakelijkerwijs gevaarlijker zijn, maar het betekent dat we verschillende methoden nodig hebben om te zien of er reden tot bezorgdheid is.”

Schmid en collega’s zijn baanbrekende manieren om te bepalen wanneer nanomaterialen een veiligheidsrisico worden – en wanneer bedrijven en overheden actie moeten ondernemen.

“We moeten deze materialen zo ontwikkelen dat het risico tot een minimum wordt beperkt”, zegt Miguel A. Bañares, onderzoeksprofessor bij de Spaanse Nationale Onderzoeksraad (CSIC). “Dit moet top of mind zijn tijdens de ontwerpfase.”

Bañares leidde een onderzoeksproject om computermodellen te ontwikkelen die kunnen voorspellen of een nanomateriaal gevaarlijk zou kunnen zijn. Het project, genaamd NanoInformatTIXna vier jaar afgerond in februari 2023.

Bañares benadrukte het belang van het hele onderzoeksgebied door nanomaterialen met zand te vergelijken.

“Stel je voor dat je een gesloten fles zand hebt”, zei hij. “Als je dat flesje openmaakt, gebeurt er niets. Als je echter een flesje opent waar nanodeeltjes in zitten, verspreidt het verwijderen van het deksel de deeltjes. Je kunt ze dus bijvoorbeeld inademen.”

Voorop blijven lopen

Kortom, nanomaterialen hebben een ander ‘risicoprofiel’ dan traditionele materialen.

“We voorspellen en modelleren de eigenschappen van het nanomateriaal”, zegt Bañares. “Op deze manier kunnen we beter begrijpen hoe ze zullen omgaan met de omgeving en het menselijk lichaam.”

Dergelijke informatie kan nuttig zijn voor bedrijven bij het ontwerpen van deze materialen en voor toezichthouders bij het afwegen van productveiligheid.

Tot nu toe zijn de regelgevingsregimes in Europa en elders bijgewerkt om ook eenvoudige nanomaterialen te omvatten. De uitdaging is ervoor te zorgen dat de regels gelijke tred houden met de ontwikkeling van de volgende generatie nanomaterialen, die meer componenten en een grotere complexiteit zullen hebben.

In nanomaterialen zijn de kleinste eenheden kleiner dan 100 nanometer. Dat is duizend keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar.

“Je hebt elektronenmicroscopen nodig om het zichtbaar te maken”, zei Schmid.

Volgende generatie

Samen met een collega genaamd Dr. Tobias Stoeger coördineert Schmid een onderzoeksproject om ervoor te zorgen dat toekomstige nanomaterialen veilig zijn.

Genaamd ONSCHADELIJKHet project loopt vier jaar tot eind januari 2025 en richt zich op materialen met nieuwe vormen.

“We ontwikkelen meetmethoden en modelleringstechnieken”, zegt Schmid. “Hiermee kunnen wij en anderen zien hoeveel risico een materiaal vertegenwoordigt.”

Hij gebruikte het voorbeeld van batterijen om de uitdaging op het gebied van onderzoek en regelgeving te benadrukken, waarbij hij zei dat ze een ‘enorme hoeveelheid’ chemische complexiteit hebben.

“Er zijn miljarden parameters die kunnen worden gewijzigd om de prestaties te optimaliseren, maar die ook gevaarlijk kunnen blijken”, aldus Schmid.

Nanomaterialen kunnen alleen riskant zijn als ze in bepaalde hoeveelheden aanwezig zijn of samen met andere materialen worden toegepast. Meer leren over de juiste hoeveelheden en combinaties van nanomaterialen is een prioriteit voor HARMLESS.

“Er is een kenniskloof”, zei Schmid. “We moeten de onderliggende biologische mechanismen begrijpen die verband houden met deze materialen. Als we dit weten, kunnen we beslissen wat veilige blootstellingsniveaus zijn.”

Veilig door ontwerp

Een doel is het waarborgen van de veiligheid in de ontwerpfase van nieuwe nanomaterialen.

Dit wordt ‘Safe and Sustainable by Design’ (SSbD) genoemd en zou de huidige situatie vermijden waarin bedrijven eerst materialen maken en later de potentiële risico’s ervan inschatten.

“Bedrijven moeten vanaf het allereerste begin veilige en duurzame producten maken”, zegt Schmid. “Je wilt geen geld verspillen door iets te produceren dat gevaarlijk blijkt te zijn.”

In 2022 publiceerde de Europese Commissie een SSbD rapport over chemicaliën en materialen om een ​​kader te creëren voor verdere actie door toezichthouders en bedrijven op dit gebied.

Het rapport en projecten als HARMLESS en NanoInformaTIX benadrukken de noodzaak voor overheden en industrieën om samen te werken aan de toekomstige veiligheid van nanomaterialen.

Hand in hand

EU-onderzoeksprojecten voorzien toezichthouders van informatie om hun eigen kennis van de materialen aan te scherpen en een stap voor te blijven op een snel evoluerende markt.

“Regelgevers zijn afhankelijk van hun kennis”, zegt Bañares. “Het is heel belangrijk dat de informatie die we verzamelen op een begrijpelijke manier aan hen wordt gepresenteerd.”

Tegelijkertijd zijn nieuwe nanomaterialen vaak zo complex dat een deel van de verantwoordelijkheid voor de veiligheid bij de bedrijven zelf blijft liggen, aldus Schmid.

“Deze materialen zijn ongelooflijk geavanceerd”, zei hij. “Ze zijn gewoon heel moeilijk vooraf te reguleren.”