Nat. Nanotech.：可持续纳米材料选择和设计框架

【引言】

工程纳米材料（ENMs）正在应对来自医学，电子学和水处理领域的社会和经济方面的挑战。材料科学家着眼于优化ENMs的性能和价格，不曾系统地过研究最小化ENMs对人类健康及环境的影响。因此，最初旨在解决社会问题的ENM可能会导致意想不到的后果，威胁到的ENM的长期商业可行性。此外，为了适应材料的快速发展，针对健康与环境影响的评估需跟上步伐。设计师们面临着开发可持续ENM和ENM产品的挑战，以最大限度地发挥ENM的功能性，同时最大限度地减少不利的人类健康及环境的影响。已有的解决纳米技术和纳米产品中的这些问题的策略，如生命周期评估（LCA）存在高度不确定性的问题。完善的阿什比材料选择框架是一种行之有效的方法，然而，对ENM产品性能的系统评估以及将这些ENM嵌入其他载体（即超材料）的影响限制了ENM特定选择图的开发。此外，ENMs的功能性和对环境的影响尚未得到全面的评估。因此，有必要进一步加强框架，将固有材料的危害以及对环境或人类健康的影响纳入其中。新兴数据与LCA，毒性和功能性能在ENM产品的新领域中的关联可用于制定材料选择和设计策略，以指导可持续ENM和ENM产品的设计。

【成果简介】

近日，来自耶鲁大学的Julie B. Zimmerman（通讯作者）等人，  构建了可持续ENMs的选择和设计框架，将有限的时间和资源集中在确定应用的ENM的可行性上。同时，作者通过两个案例研究证明了拟议框架的潜力：（1）ENM和大宗化学品的抗菌应用和（2）选择一个ENM纳米使材料适用于高电导率应用。除功能性能外，设计指标还包括使用斑马鱼毒性作为生物探究对人类健康的影响，从摇篮到门的累计能源需求（CED）和材料的价格。相关成果以“A framework for sustainable nanomaterial selection and design based on performance, hazard, and economic considerations”为题发表在Nature Nanotechnology上。

【图文导读】

图一 美国国家纳米技术倡议用于环境，健康和安全的拨款总计

Total NNI funding 国家纳米技术倡议的总资金

Total EHS funding 环境，健康和安全领域的投资资金

图二 传统抗菌化学品和提议的纳米材料替代品的性能

（a）功效（抗微生物活性，如MIC）

（b）环境/人类健康影响（胚胎斑马鱼毒性LC50）

（c）价格

（d）环境影响（累计能源需求）

图三 化学品和纳米抗菌剂的协同优化图

（a）功能表现（抗菌活性）与斑马鱼毒性的比较

（b）价格

（c）累积能源需求

（d）抗菌活性，斑马鱼LC50和纳米材料价格的3D图

图四 纳米结构聚苯胺复合材料的选择图表

（a）纳米复合材料的功能性与价格的比较

（b）纳米复合材料的累积能量需求（CED）

（c）功能性，价格和CED的协同优化图

图五 纳米材料的功能性和物理性质（尺寸和形状）的关系

（a）评估nAg大小与相对CED和抗菌活性参数之间的关系

（b）nAl2O3形状对相对CED和PANI-ENM电导率变化的影响

【小结】

考虑到ENM及其对环境和人类健康的影响将越来越重要，这项工作提供的系统选择框架为材料选择过程带来了价值。此外，所提出的框架会产生广泛的变革性影响，例如突出数据差距以激励急需的研究和开发工具的生成，利于ENM和ENM产品的设计。这将有助于纳米技术企业发挥其应对社会挑战的全部潜力，同时这种方式在短期内也具有可持续性，可供后代使用。

文献链接：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）

本文由材料人编辑部新人组李倩编辑，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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