رفتار نانوذرات در محیط زیست بسیار پیچیده است. براساس پژوهشی که توسط محققان موسسه ETH زوریخ انجام شده است، به علت عدم وجود داده‌های تجربی سیستماتیک درک کاملی از نانومواد وجود ندارد و برای کمک به تحقیقات روش‌های استانداردتری لازم است.

صنعت نانو تکنولوژی به سرعت در حال توسعه است. هر ساله، هزاران تن از نانوذرات ساخته بشر در کل جهان تولید می شود. دیر یا زود بخشی از این نانوذرات وارد آب یا خاک خواهد شد.با این وجود حتی متخصصان نیز از سرنوشت این مواد در آنجا اطلاع دقیقی ندارند. علت این پیچیدگی نه تنها به دلیل تنوع زیاد نانومواد ساخته بشر (مهندسی شده) است، بلکه رفتار نانومواد به شدت تابع شرایط حاکم محیطی نیز می‌باشد.

گروه تحقیقاتی مارتین شرینگر ( محقق ارشد در دپارتمان شیمی و علوم زیستی کاربردی)، برای روشن کردن این ابهامات، فعالیت‌هایی انجام داده است. این تیم ۲۷۰ مورد مطالعات علمی را که شامل ۱۰۰۰ مورد آزمایش‌های آزمایشگاهی بوده را بررسی کردند تا به الگوی رفتاری نانومواد دست یابند. هدف این پژوهش‌ها پیش بینی کردن رفتار کلی این ذرات است.

نانو ذرات خودشان را به همه چیز می‌چسبانند

به گفته شرینگر، شرایط از آنچه پیش‌بینی می‌شد پیچیده‌تر است. ناون همچین اضافه می کند که باید در نظر داشته باشیم که امکان ترسیم تصویر یکپارچه‌ای با کمک داده‌های فعلی وجود ندارد.

نیکول سانی-کاست، دانشجوی دکتری فعال در این تیم و اولین نویسنده آنالیز منتشر شده در مجله PNAS، اضافه کرد: نانوذرات مهندسی شده بسیار فعال و واکنش‌پذیر هستند و به هر ماده‌ای که بیایند خود را می‌چسبانند. ممکن است به نانوذرات دیگر بچسبند و اگلومره‌ها راتشکیل دهند و یا به سایر مولکول‌های موجود در محیط بچسبند.

تجزیه و تحلیل شبکه

اینکه ذرات نسبت به چه موادی و با چه سرعتی واکنش دهند به عوامل مختلفی از جمله میزان اسیدی بودن آب یا خاک، غلظت مواد معدنی و نمک‌های موجود و از همه مهم‌تر ترکیب مواد آلی حل شده در آب و یا موجود در خاک، بستگی دارد. این موضوع که نانومواد مهندسی شده اغلب دارای پوششی سطحی هستند،

پیچیدگی مسأله را بیشتر می‌کند. بسته به شرایط محیطی، ذرات ممکن است این پوشش سطحی را نگه‌دارند و یا از دست بدهند که‌ این موضوع نیز به نوبه خود بر روی واکنش پذیری آنها در محیط تأثیر دارد.

به منظور ارزیابی نتایج موجود در متون علمی، سانی-کاست برای اولین بار در این زمینه، از یک تجزیه و تحلیل شبکه‌ای استفاده کرده‌است. این تکنیک در تحقیقات اجتماعی برای ارزیابی شبکه های روابط اجتماعی مورد استفاده قرار می‌گیرد. وی با استفاده از این روش نشان داد داده‌های موجود از نانومواد مهندسی شده، متناقض، به شدت متنوع و ضعیف هستند.

سایر روشها برای یادگیری ماشینی یا machine learning

به گفته‌ی شرینگر اگر داده‌های سازمان یافته‌تر، و به قدر کافی گوناگون و پراکنده موجود بود، احتمال دستیابی به الگوی جامع با استفاده از روشهای machine learningامکانپذیر بود، اما فعلا در این مقطع قرار نداریم و ابتدا باید داده‌های تجربی نظام یافته تر و ساختارمندتری در دسترس باشد تا بتوان به این هدف دست یافت.

سانی-کاستاضافه کرد، برای انجام چنین آزمایشات سیستماتیک و استاندارد، هماهنگی خاصی مورد نیاز است که در حال حاضر ناممکن و سخت است. چرا که محققان معمولا کشف روش‌ها و شرایط جدید را به انجام آزمایشات استاندارد روتین و معمول ترجیح می‌دهند.

تشخیص نانوذرات ساخته شده دست بشر و نانوذرات طبیعی

علاوه بر عدم وجود تحقیقات سیستماتیک، مشکل ملموس دیگری نیز در مسیر شناسایی رفتارهای نانوذرات وجود دارد: وجود مقدار زیادی نانوذرات مهندسی شده شامل ترکیبات شیمیایی مختلف که به صورت طبیعی در خاک نیز وجود دارند. به همین علت ارزیابی نانوذرات مهندسی شده موجود در محیط مشکل است، چون نمی‌توان تشخیص داد یک ترکیب خاص شیمیایی توسط انسان ساخته شده و یا به صورت طبیعی در محیط ایجاد شده است.

با این وجود طبق تحقیقات انجام شده در گروه شیمی و علوم زیستی کاربردی موسسه ETH زوریخ، تحت مدیریت پروفسور دلف گانتر، اخیراً روش مؤثری برای استفاده در تحقیقات جهت تمایز این دونوع نانوذره ارائه شده‌است. این گروه از روش طیف سنجی جرمی بسیار جدید و حساسی به نام spICP-TOF استفاده کردند تا مشخص کنند هر عنصر شیمیایی چه نانو ذره‌های خاصی را در یک نمونه ایجاد می‌کند.

در راستای همکاری با محققان دانشگاه وین، پژوهشگران ETH زوریخ از این روش برای نمونه خاکی که دارای نانوذرات طبیعی سدیم بود و به آن نانوذرات سریم دی‌اکسید مهندسی شده اضافه شده بود، استفاده کردند. با استفاده از روش machine learningکه برای این موضوع خاص ایده‌آل بود، محققان توانستند با استفاده از نشانه‌های شیمیایی موجود، طبیعی یا مصنوعی بودن نانوذره را تشخیص دهند.

به گفته‌ی الکساندر گراهام، دانشجوی فوق دکتری در گروه پروفسور گانتر، نانوذرات مصنوعی معمولاً از یک ترکیب تشکیل شده‌اند در حالی که نانوذرات طبیعی معمولاً شامل عناصر شیمیایی دیگری نیز هستند.

این روش اندازه‌گیری جدید بسیار حساس است به طوری که محققان توانستند نانوذرات مصنوعی را در نمونه‌ای که غلظت نانوذرات طبیعی نسبت به نانوذرات مصنوعی ۱۰۰ برابر بود، تشخیص دهند.