Grosse Kunststoffteile können in nanoskalige Partikel zerfallen, die oft in den Boden und ins Wasser gelangen. Weniger bekannt ist vielleicht, dass sie auch in der Luft schweben können. Es ist unklar, wie sich Nanokunststoffe auf die menschliche Gesundheit auswirken, aber Tierstudien deuten darauf hin, dass sie potenziell schädlich sind. Um die Verbreitung von Nanokunststoffen in der Luft besser zu verstehen, haben Forscher einen Sensor entwickelt, der diese Partikel aufspürt und die Art, Menge und Grösse der Kunststoffe mit Hilfe von bunten Kohlenstoffpunktfilmen bestimmt. Diese Forschung wurde auf der Herbsttagung der American Chemical Society(ACS) vorgestellt.
Risiko Nanokunststoff
"Nanokunststoffe sind ein grosses Problem, wenn sie sich in der Atemluft befinden, in die Lunge gelangen und möglicherweise Gesundheitsprobleme verursachen", sagt Dr. Raz Jelinek, der Leiter des Projekts. "Ein einfacher, kostengünstiger Detektor wie der unsere könnte enorme Auswirkungen haben und die Menschen eines Tages auf das Vorhandensein von Nanoplastik in der Luft aufmerksam machen, so dass sie Massnahmen ergreifen können.
Jedes Jahr werden Millionen von Tonnen Plastik produziert und weggeworfen. Einige Kunststoffe erodieren langsam, während sie benutzt oder entsorgt werden, und verschmutzen die Umwelt mit Mikro- und Nanopartikeln. Nanokunststoffe sind so klein - in der Regel weniger als 1 µm gross - und leicht, dass sie sogar in der Luft schweben können, wo sie dann von Menschen unwissentlich eingeatmet werden. Tierversuche deuten darauf hin, dass das Einnehmen und Einatmen dieser Nanopartikel schädliche Auswirkungen haben kann. Daher könnte es hilfreich sein, den Grad der Verschmutzung der Umwelt durch Nanokunststoffe in der Luft zu kennen.
Elektronisches Erschnüffeln
Zuvor hatte Jelineks Forschungsteam an der Ben-Gurion-Universität des Negev eine elektronische Nase oder "e-nose" entwickelt, um das Vorhandensein von Bakterien zu überwachen, indem die einzigartige Kombination von Gasdampfmolekülen, die sie freisetzen, adsorbiert und erfasst wird. Die Forscher wollten herausfinden, ob dieselbe Technologie auf der Grundlage von Kohlenstoffpunkten auch für die Entwicklung eines empfindlichen Nanokunststoffsensors für die kontinuierliche Umweltüberwachung eingesetzt werden kann.
Kohlenstoffpunkte bilden sich, wenn ein kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial wie Zucker oder andere organische Stoffe mehrere Stunden lang bei mässiger Temperatur erhitzt wird, sagt Jelinek. Dieser Prozess kann sogar mit einer herkömmlichen Mikrowelle durchgeführt werden. Während des Erhitzens entwickelt sich das kohlenstoffhaltige Material zu bunten, oft fluoreszierenden, nanometergrossen Partikeln, den so genannten "Carbon Dots". Und durch Veränderung des Ausgangsmaterials können die Kohlenstoffpunkte unterschiedliche Oberflächeneigenschaften haben, die verschiedene Moleküle anziehen können.
Um die bakterielle E-Nase zu erzeugen, trug das Team dünne Schichten verschiedener Kohlenstoffpunkte auf winzige Elektroden auf, die jeweils die Grösse eines Fingernagels hatten. Sie verwendeten interdigitale Elektroden, die zwei Seiten mit kammähnlichen Strukturen haben, die ineinander übergehen. Zwischen den beiden Seiten entsteht ein elektrisches Feld, und die gespeicherte Ladung wird als Kapazität bezeichnet. "Wenn etwas mit den Kohlenstoffpunkten passiert - entweder nehmen sie Gasmoleküle oder Nanokunststoffstücke auf - dann ändert sich die Kapazität, was wir leicht messen können", sagt Jelinek.
Dann testeten die Forscher einen Proof-of-Concept-Sensor für Nanokunststoffe in der Luft und wählten Kohlenstoffpunkte aus, die gängige Kunststoffarten - Polystyrol, Polypropylen und Poly(methylmethacrylat) - adsorbieren würden. In Experimenten wurden nanoskalige Kunststoffpartikel in die Luft gesprüht, wodurch sie in der Luft schwebten. Als Elektroden, die mit Kohlenstoff-Punkt-Filmen beschichtet waren, den in der Luft schwebenden Nanokunststoffen ausgesetzt wurden, beobachtete das Team Signale, die für jeden Materialtyp unterschiedlich waren, sagt Jelinek. Da die Anzahl der Nanokunststoffe in der Luft die Intensität des erzeugten Signals beeinflusst, fügt Jelinek hinzu, dass der Sensor derzeit in der Lage ist, die Menge der Partikel eines bestimmten Kunststofftyps entweder über oder unter einem vorgegebenen Konzentrationsschwellenwert anzuzeigen. Als Polystyrolpartikel in drei Grössen - 100 nm breit, 200 nm breit und 300 nm breit - aerosoliert wurden, stand die Signalintensität des Sensors in direktem Zusammenhang mit der Grösse der Partikel.
Kunststoffmischungen detektieren
Der nächste Schritt des Teams besteht darin, zu prüfen, ob ihr System die Kunststoffarten in Mischungen von Nanopartikeln unterscheiden kann. So wie die Kombination von Kohlenstoffpunktfilmen in der bakteriellen E-Nase zwischen Gasen mit unterschiedlichen Polaritäten unterscheiden konnte, ist es laut Jelinek wahrscheinlich, dass sie den Nanokunststoffsensor so optimieren können, dass er zwischen weiteren Arten und Grössen von Nanokunststoffen unterscheiden kann. Die Fähigkeit, verschiedene Kunststoffe anhand ihrer Oberflächeneigenschaften zu erkennen, würde Nanokunststoffsensoren für die Verfolgung dieser Partikel in Schulen, Bürogebäuden, Wohnungen und im Freien nützlich machen, sagt er.
