Nanoosakesed meie ümber

Järjest rohkem on hakatud rääkima uuest tärkavast keskkonnaohust – nanoosakestest. Nii tõsi- kui ka populaarteaduslikus kirjanduses on palju juttu sellest, kuidas „väikesed kurjad“ nanoosakesed pääsevad loodusesse ja inimorganismi ning hakkavad seal igasuguseid halbu asju korda saatma. Kas probleem on tõesti juba suur või on siiski tegu liialdusega? Nagu elus ikka, pole asjad mustvalged, vaid ikka pigem hallides toonides. Eriti käib see nanoturvalisuse ja nanotoksikoloogia kohta, mis on suhteliselt noored teadusharud ning kus arusaamad väga kiiresti muutuvad ja arenevad.

Mis need nanoosakesed siis üldse on? Põgus meenutus koolifüüsikast annab teada, et ühe nanomeetri saame siis, kui jagame meetri miljardiks võrdseks osaks. Nanoosakeste definitsioone on mitmesuguseid, ent esimeses lähenduses võib kutsuda nanoosakesteks kõiki neid osakesi, mille läbimõõt on väiksem kui 100 nanomeetrit. Heaks võrdlusobjektiks üleminekul meid ümbritsevast maailmast nanomaailma on nt juuksekarva läbimõõt, mis on suurusjärgus 100 000 nanomeetrit.

Mis eristab nanoosakesi tavalistest aineosakestest ja miks nanoosakeste puhul võib rääkida teatud juhtudel kõrgendatud ohust? Põhjuseid on kaks. Esiteks on nanoosakestel tohutult suur pindala massiühiku kohta. Koolikeemiast on teada, et väga suur osa keemilisi reaktsioone toimub osakese ja ümbritseva keskkonna piirpinnal. Igaüks võib ennast lõbustada väikese matemaatilise mänguga – kujutada ette kuubikujulist liivatera, mille iga serva pikkus on 1 mm, ja lõigata see mõttes väiksemateks kuubikuteks, mille iga serv on 10 nm pikkune. Seejärel tuleks arvutada, mitu korda on nende uute kuubikukeste kogupindala suurem esialgse kuubiku pindalast (õige vastus on 100 000 korda). See aga tähendabki, et hästi lihtsustatult toimuvad keemilised reaktsioonid, mis on seotud osakeste kogupindalaga, nanoosakeste puhul väga palju intensiivsemalt kui tavalise pulbri korral. Teine põhjus rääkida võimalikust nanoohust on nanoosakeste väga väike läbimõõt, mis võimaldab neil tungida mitmete asjaolude kokkusattumise korral elusrakkude sisemusse. Ja võõrkeha võib loomulikult segada raku elutegevust.

Siinkohal on paslik küsida, milline on võimalus, et nanoosakesed satuvad „suurtel kiirustel ja hulgakaupa“ meid ümbritsevasse keskkonda ja sealt edasi meie sisse. Kui teadlase pilguga ringi vaadata, võib öelda, et inimesed on nanoosakesi suurtes kogustes sisse hinganud kogu oma eksistentsi vältel. Maailma kõige suuremad nanoosakeseallikad on nimelt suured kõrbemassiivid (nt Sahara), kus tuul paiskab õhku meeletutes kogustes pinnaseosakesi, millest suur osa on nanomõõtmetes. Kui õhus tavapärasel hulgal ringi lendavate tolmu- ja pinnaseosakestega on inimorganism hästi kohastunud, siis probleemid tekivad juhul, kui õhu osakesesisaldus läheb väga suureks.

Klassikalised näited on maa-alused kaevandused ja nendes ringi heljuv rohkesti nanoosakesi sisaldav tolm, mis on ohustanud kaevurite tervist täpselt nii kaua, kui maardeid on kaevandatud. Läinud sajandist on paslik meenutada ka asbesti – kiulist silikaatmineraali, mille kiud on küll suhteliselt pikad, ent mille läbimõõt on kümnete nanomeetrite suurusjärgus. Sellise kujuga nanoobjekte kutsutakse nanofiibriteks. Asbestil on väga palju tehnoloogiliselt kasulikke (nt isoleerivaid) omadusi, ent ka üks väga probleemne kõrvaltoime – kopsu sisse hingatud asbestikiud jäävad sinna suure tõenäosusega pidama ning hakkavad enda ümber tekitama mikroskoopilisi põletikukoldeid. Kokkuvõttes võib öelda, et looduslikud nanoosakesed ja nendest lähtuvad võimalikud ohud on inimkonda saatnud juba väga kaua.

Viimasel kümnendil on eriti palju kõneainet pakkunud nn tehisnanoosakesed, s.o nanoosakesed, mis on inimese poolt spetsiaalselt loodud. Kui varem puutusid seesuguste osakestega kokku peamiselt teadlased laborites, siis viimasel ajal on tehisnanoosakesed jõudmas üha suuremates kogustes laiatarbekasutusse ja mitmesugustesse toodetesse, teatud viivisega ka prügilatesse ning sealt omakorda atmosfääri ja põhjavette.

Kõige enam toodetakse (aastas hinnanguliselt tuhandeid tonne) titaandioksiidi (TiO2 ) nanoosakesi, mida kasutatakse valge värvi tootmisel ja päikesekaitsekreemides. On selge, et teekond päikesekreemist loodusesse on väga lühike – korra ujumas või duši all käidud ja TiO2 nanoosake ongi loodusesse jõudnud. Praeguste arusaamade järgi on TiO2 nanoosakesed õnneks siiski praktiliselt ohutud.

Tänapäeval toodetakse väga laialdaselt ka hõbeda nanoosakesi (foto). Hõbe on juba ajalooliselt hästi tuntud antimikroobse materjalina, mille toime põhineb vees lahustunud hõbeda ioonidel. Juba klassikaliseks tooteks on saanud sokid, kuhu on sisse kootud hõbedaga kaetud niit. Kui jalad lähevad higiseks, hakkavad sellest niidist vabanema baktereid hävitavad hõbedaioonid, vältides niimoodi ebameeldiva lõhna teket. Neile sokkidele järgmine samm on sokid, mille materjalile on lisatud hõbeda nanoosakesi. Kandev idee on siin hõbeda kokkuhoid, sest nanoosakestel on oma massi kohta äärmiselt suur pindala, kust hõbedaioonid saavad vabaneda. Kohe pärast hõbeda nanoosakestega sokkide müügile ilmumist selgus aga, et nanoosakesed võivad neist koos pesuveega kaduda juba paari pesukorraga, sissekootud hõbeniidiga sokkides püsib hõbe aga kogu kasutusea jooksul. Tehnoloogia areneb ja küllap sunnitakse nanoosakesed sokiniitidesse pidama jääma.

Palju probleemsem on olukord aga süsiniknanotorudega (maailma aastatoodang sadu tonne), mis on väliskuju poolest äärmiselt sarnased asbestikiududega. Kui organismi sattunud hõbedaosake seal aja jooksul lahustub, siis süsiniknanotorud võivad organismis, nagu asbestikiudki, tekitada kopsudes püsivaid mikroskoopilisi põletikukoldeid. Süsiniknanotorusid lisatakse nt materjalidesse, millest valmistatakse golfikeppe ja autode põrkeraudu. Seda tehakse materjalide omaduste parandamiseks, mõnikord aga lihtsalt reklaami eesmärgil, et saaks tootele uhkelt kirjutada sõna ‘nano’. Nendest toodetest süsiniknanotorud keskkonda kiiresti ei jõua, sest nad on seotud muust materjalist maatriksi (nt plasti) sisse. Kuid materjalid vananevad ning kunagi jõuavad golfikepidki prügilasse, kus süsiniknanotorud võivad mingil määral vabaneda. Süsiniknanotorud on praeguste arusaamade kohaselt normaaltingimustes bioloogiliselt mittelagunevad ja seega võivad keskkonnas äärmiselt kaua vastu pidada.

Lõpetuseks võib öelda, et arvestades maailmatoodangu mahtusid on tehisnanoosakeste põhjustatud keskkonnareostus esialgu veel tulevikuprobleem ning nanoosakesed ohustavad esialgu peamiselt vaid neid, kes nende tootmise ja töötlemisega tihedalt kokku puutuvad. Samas pole tegu ka pastapliiatsist välja imetud probleemiga, sest nt suurlinnade reoveesettega väetatavate põldude puhul võib juba praegu rääkida üliväikeste TiO2 ja hõbeda nanoosakesekoguste jõudmisest mulda.

Artikli autor on Vambola Kisand, TÜ füüsika instituudi vanemteadur
Artikkel ilmus Keskkonnatehnikas 3/2013 lk 9–10. Täismahus artikli koos fotodega leiad siit.

Fotol on hõbeda eri suuruse ja kujuga nanoosakesed skaneerivas elektronmikroskoobis. Autori foto.