Nat. Nanotech.：可持續納米材料選擇和設計框架

【引言】

工程納米材料（ENMs）正在應對來自醫學，電子學和水處理領域的社會和經濟方面的挑戰。材料科學家著眼于優化ENMs的性能和價格，不曾系統地過研究最小化ENMs對人類健康及環境的影響。因此，最初旨在解決社會問題的ENM可能會導致意想不到的后果，威脅到的ENM的長期商業可行性。此外，為了適應材料的快速發展，針對健康與環境影響的評估需跟上步伐。設計師們面臨著開發可持續ENM和ENM產品的挑戰，以最大限度地發揮ENM的功能性，同時最大限度地減少不利的人類健康及環境的影響。已有的解決納米技術和納米產品中的這些問題的策略，如生命周期評估（LCA）存在高度不確定性的問題。完善的阿什比材料選擇框架是一種行之有效的方法，然而，對ENM產品性能的系統評估以及將這些ENM嵌入其他載體（即超材料）的影響限制了ENM特定選擇圖的開發。此外，ENMs的功能性和對環境的影響尚未得到全面的評估。因此，有必要進一步加強框架，將固有材料的危害以及對環境或人類健康的影響納入其中。新興數據與LCA，毒性和功能性能在ENM產品的新領域中的關聯可用于制定材料選擇和設計策略，以指導可持續ENM和ENM產品的設計。

【成果簡介】

近日，來自耶魯大學的Julie B. Zimmerman（通訊作者）等人，??構建了可持續ENMs的選擇和設計框架，將有限的時間和資源集中在確定應用的ENM的可行性上。同時，作者通過兩個案例研究證明了擬議框架的潛力：（1）ENM和大宗化學品的抗菌應用和（2）選擇一個ENM納米使材料適用于高電導率應用。除功能性能外，設計指標還包括使用斑馬魚毒性作為生物探究對人類健康的影響，從搖籃到門的累計能源需求（CED）和材料的價格。相關成果以“A framework for sustainable nanomaterial selection and design based on performance, hazard, and economic considerations”為題發表在Nature Nanotechnology上。

【圖文導讀】

圖一 美國國家納米技術倡議用于環境，健康和安全的撥款總計

Total NNI funding 國家納米技術倡議的總資金

Total EHS funding 環境，健康和安全領域的投資資金

圖二 傳統抗菌化學品和提議的納米材料替代品的性能

（a）功效（抗微生物活性，如MIC）

（b）環境/人類健康影響（胚胎斑馬魚毒性LC50）

（c）價格

（d）環境影響（累計能源需求）

圖三 化學品和納米抗菌劑的協同優化圖

（a）功能表現（抗菌活性）與斑馬魚毒性的比較

（b）價格

（c）累積能源需求

（d）抗菌活性，斑馬魚LC50和納米材料價格的3D圖

圖四 納米結構聚苯胺復合材料的選擇圖表

（a）納米復合材料的功能性與價格的比較

（b）納米復合材料的累積能量需求（CED）

（c）功能性，價格和CED的協同優化圖

圖五 納米材料的功能性和物理性質（尺寸和形狀）的關系

（a）評估nAg大小與相對CED和抗菌活性參數之間的關系

（b）nAl2O3形狀對相對CED和PANI-ENM電導率變化的影響

【小結】

考慮到ENM及其對環境和人類健康的影響將越來越重要，這項工作提供的系統選擇框架為材料選擇過程帶來了價值。此外，所提出的框架會產生廣泛的變革性影響，例如突出數據差距以激勵急需的研究和開發工具的生成，利于ENM和ENM產品的設計。這將有助于納米技術企業發揮其應對社會挑戰的全部潛力，同時這種方式在短期內也具有可持續性，可供后代使用。

文獻鏈接：A framework for sustainable nanomaterial selection and design based on performance, hazard, and economic considerations（Nature Nanotechnology, 2018, DOI: 10.1038/s41565-018-0120-4）

本文由材料人編輯部新人組李倩編輯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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