Listopad 2003

Podivné zákony nanosvěta. Objev posledních dní: mikroskopické částice čistí jedovatou půdu

Jaroslav Petr

Těžké kovy, dioxiny, polychlorované bifenyly… Výčet toxických látek znečišťujících životní prostředí je děsivě dlouhý a neustále roste. Figurují v něm prudké jedy, látky vyvolávající rakovinu nebo molekuly s účinky pohlavních hormonů, schopné vyvolat neplodnost lidí i zvířat. Z nezajištěných skládek odpadu, starých průmyslových provozů nebo skladišť se nejednou šíří do okolí plíživá smrt. Blýská se však možná na lepší časy – byl objeven nový způsob čištění půdy pomocí mikroskopických částeček železa.

Železný nanoprach

Svět nepatrných částic s průměrem nejvýše několika desítek nanometrů – tedy miliontin milimetru – se řídí vlastními, velmi zvláštními zákonitostmi. Díky tomu zvládají nanočástice věci, o jakých se tisíckrát větším mikrometrovým částicím ani nesní. Tým vědců z americké Lehigh University vedený Čang Wej-sienem se rozhodl využít nanometrové částečky železa při obtížném a finančně nesmírně náročném čištění kontaminovaných půd. Výsledky osmiletých testů, publikované začátkem září ve vědeckém časopise Journal of Nanoparticle Research, vybízejí k optimismu.

Američané opřeli svůj záměr o několik důležitých vlastností železných nanočástic. V první řadě je to ochota železa reagovat s kyslíkem a „reznout“. Slabostí pro kyslík trpí tento kov i v půdě. Železné nanočástice zatahují do chemických reakcí celkem nevybíravě látky ze svého okolí. Složitější molekuly dioxinů, polychlorovaných bifenylů a dalších škodlivin se přitom rozkládají na jednodušší „zlomky“ a ztrácejí nebezpečné vlastnosti. Těžké kovy, jako je olovo, nikl, rtuť nebo uran, sice železné nanočástice rozložit neumějí, ale dokáží je zneškodnit jinak. Odebírají jejich oxidům atomy kyslíku a tím je zbaví schopnosti toulat se nekontrolovaně podzemím. Částice těžkých kovů se vysráží, navážou se na půdu a už se ze znečištěného místa dále nešíří.

Velmi zdatnými zloději kyslíkových atomů jsou i větší částice železa a řada podniků je používá pro likvidaci nebezpečných odpadů. Nanočástice jsou však v tomto směru až 10 000krát výkonnější. V daném množství „železného nanoprachu“ nabízejí na svém povrchu mnohonásobně větší styčnou plochu pro reakci s kyslíkem než stejná porce železných pilin mikrometrových rozměrů. Navíc se chová „nanoželezo“ jako všudybyl a proniká i tam, kam se větší částečky nikdy nevmáčknou. To z něj dělá ideální čistič kontaminované zeminy. Samotné železo navíc nemá toxické účinky a je přirozenou složkou půd.

Aktivnější než bakterie

Čang Wej-sien a jeho kolegové zvládli výrobu potřebného množství železných nanočástic a při ověřovacích testech je pumpovali s vodou do vrtů v oblastech se silně znečištěnou půdou. Efekt byl překvapivý, „nanoželezitá“ voda čistí půdu všude, kam dosáhne. „Je to, jako kdybyste dali půdě ozdravnou injekci,“ říká Čang Wej-sien. Procedura je o poznání jednodušší a hlavně lacinější než tradiční postupy, kdy se vytěžená kontaminovaná zemina odváží k čištění do specializovaných provozů. Podle Čang Wej-siena se podzemní čištění nanočásticemi železa v mnoha směrech podobá biologickým postupům, při kterých jsou do podzemí nasazeny speciální bakterie rozkládající toxické látky. „Železo je ale lepší v tom, že mu na rozdíl od bakterií nevadí kyselá půda, nízká teplota nebo nedostatek živin,“ tvrdí. „Nanočástice jsou desetkrát až tisíckrát menší než bakterie, a proniknou proto i mezi jednotlivé částice půdy bez toho, že tam uvíznou.“

Při laboratorních testech i zkouškách v terénu vyčistily nanočástice okolí místa vstřiku od toxických látek doslova přes noc. V dalších týdnech pronikaly s podzemní vodou i do vzdálenějších míst a vyčistily je tak, že obsah škodlivin poklesl pod hranice předepsané normami. „Nanočástice vydrží v půdě šest až osm týdnů,“ říká Čang Wej-sien. „To, co z nich zbyde, se rozpustí v podzemních vodách, a my už jejich zbytky nedokážeme v půdě odhalit. Ztrácejí se nám ve velkém množství železa, které se v půdách přirozeně vyskytuje.“ Optimisticky naladěný vědec založil soukromou společnost, která už shání první zákazníky. „Zpočátku jsme jednali jen s federálními institucemi, jako je vojenské námořnictvo, ale stále častěji se na nás obracejí i soukromé farmaceutické firmy, výrobci polovodičů a další průmyslové podniky. Všichni mají zájem o vyčištění půdy kontaminované výrobou,“ chlubí se. „Po bezmála deseti letech intenzivního výzkumu vstupujeme do fáze, kdy nás čeká prudká expanze. V USA jsou tisíce míst s kontaminovanou půdou a my doufáme, že tohle by mohla být metoda, která je efektivně vyčistí.“ Nanotechnologie, označované někdy jako „velká věda zabývající se maličkými věcmi“, znovu dokázaly, že patří k nejperspektivnějším oborům.

Úskalí

Jak to bývá u všech nadějných technologií, má i užití nanočástic železa své zápory. Je to především vysoká cena. V počátcích pokusů vyráběl Čang Wej-sien kilogram železných nanočástic asi za 500 dolarů. Postupem času vědci produkci zdokonalili a stlačili výrobní náklady až na 40 dolarů za kilogram. Na dekontaminaci pozemku o ploše 100 metrů čtverečních je zapotřebí vpravit vrtem pod povrch asi 11 kilogramů „nanoželeza“. Také vrty nejsou levné. Potíže vyvolává i slabost nanočástic železa pro kyslík: na vzduchu mohou samovolně vzplanout a při hoření vyvíjejí poměrně vysoké teploty. Manipulace s takovým materiálem není jednoduchá – nanočástice musejí být skladovány v kapalině, která je od vzdušného kyslíku účinně oddělí.

Opatrnost je namístě při používání jakýchkoli nanočástic. Některé zřejmě škodí lidskému zdraví a životnímu prostředí. Například větší množství vdechnutých tenoučkých uhlíkových nanovláken může velmi ublížit plicím zvířat a lidí. Vědce zaskočila i vysoká pohyblivost nanočástic v přírodě. Tou se vyznačují například fullereny – uhlíkaté sloučeniny s molekulou ve tvaru duté koule ne nepodobné mikroskopickému fotbalovému míči. Shluky fullerenů o průměru několika tisícin milimetru se v životním prostředí pevně váží na půdu a nikam necestují. Suspenze jednotlivých nanometrových uhlíkových „míčů“ půdou bez potíží prochází a nezachytí ji nic. Z dosud nepublikovaných výsledků vědců z americké Rice University vyplývá, že volné fullereny pronikají z půdy do žížal. Mohly by se proto dostávat i do těl živočichů, kteří se žížalami živí. Zatím však nemáme důvody k panice. Nanočástice jsou od nepaměti součástí světa kolem nás. Vznikají zcela spontánně i v přírodě. Navíc jsou si vědci rizik provázejících uměle vytvářené nanočástice dobře vědomi a s potenciálně škodlivými materiály pracují jen v laboratořích důkladně zabezpečených proti úniku částic do okolí.

(RESPEKT)