‘De kracht van het kleine’ [24]
Nanotechnologie
Docent: Roshan Jahangir Vakken: biologie & scheikunde
Ingeborg Dijkstra & Christina Maat College Hageveld 08-03-2012
2
Inhoudsopgave 1. Voorwoord 2. Inleiding 3. Theorie 3.1 Algemene theorie 3.1.1 Atomen, moleculen en stoffen 3.1.2 Nanodeeltjes 3.1.3 Cellen 3.2 Experimentele theorie 3.2.1 Koolstof nanobuisjes 3.2.2 Weefselkweek Laboratoriumonderzoek 4. Onderzoeksvraag en hypothese 4.1 Onderzoeksvraag 4.2 Hypothese 5. Werkplan 5.1 Deel 1 – ‘Kweken vaatwandendotheelcellen’ 5.2 Deel 2 – ‘Koolstof nanobuisjes’ 5.3 Deel 3 – ‘Analyseren vaatwandendotheelcellen’ 5.4 R&S-regels 6. Resultaten 6.1 Proef 1 6.2 Proef 2 6.3 Proef 3 6.4 Resultaten in tabel 6.5 Berekening aantal mL oplossing met cellen 7. Conclusie 8. Discussie 8.1 Mogelijkheid vervolgonderzoek Literatuuronderzoek 9. Inleiding 9.1 Onderzoeksvraag 9.2 Beschrijving werkwijze 9.3 Hypothese 10. Hoe kan nanotechnologie toegepast worden en is dit het stimuleren waard? 10.1 (Mogelijke) toepassingen van nanotechnologie 10.2 Gevolgen van nanotechnologie 10.3 Nano, meer dan alleen ‘gadgets’? 11. Wat zijn de bezwaren tegen het gebruik en toepassen van nanotechnologie? 11.1 Risico’s 11.2 Risico’s van het gebruik van nanotechnologie 11.3 Ethische bezwaren tegen nanotechnologie
pagina 5 pagina 6
pagina 8 pagina 19 pagina 21 pagina 29 pagina 29 pagina 35
pagina 41 pagina 41 pagina 41 pagina 42 pagina 42 pagina 44 pagina 45 pagina 46 pagina 47 pagina 48 pagina 49 pagina 50 pagina 51 pagina 52 pagina 53 pagina 55 pagina 55
pagina 56 pagina 56 pagina 56 pagina 56 pagina 58 pagina 58 pagina 59 pagina 60 pagina 63 pagina 63 pagina 63 pagina 64
3
12. Wat hebben de overheid en de politiek met (onderzoek aan) nanotechnologie te maken? 12.1 Kabinetsbeleid nanotechnologie 12.2 Financiering nanotechnologie 12.3 Wet en regelgeving nanotechnologie 12.4 Stichtingen, organisaties en instituten 12.5 Nanotechnologie en de maatschappij 12.6 Nanotechnologie, Nederland en Europa 13. Waarom juist het stimuleren van middelbare scholieren en wat weten middelbare scholieren op die moment van nanotechnologie? 13.1 Enquête 14. Welk lesmatriaal over nanotechnologie is er op dit moment voor middelbare scholieren beschikbaar en zou dit beter kunnen? 14.1 (Schriftelijke) module nanotechnologie 14.2 Nanotechnologie in hoger onderwijs 15. Conclusie 16. Discussie 16.1 Mogelijkheden voor vervolgonderzoeken 17. Reflectie 18. Samenvatting 18.1 Laboratoriumonderzoek 18.2 Literatuuronderzoek 19. Summary 19.1 Laboratory research 19.2 Research based on literature 20. Zusammenfassung 20.1 Laboratoriumforschung 20.2 Literaturforschung 21. Logboek 22. Literatuurlijst Bijlage 1 Bijlage 2 Bijlage 3 Bijlage 4 Bijlage 5 Bijlage 6 Bijlage 7
4
pagina 66 pagina 66 pagina 66 pagina 67 pagina 68 pagina 68 pagina 69 pagina 71
pagina 71 pagina 74
pagina 74 pagina 75 pagina 76 pagina 78 pagina 78 pagina 79 pagina 80 pagina 80 pagina 80 pagina 82 pagina 82 pagina 82 pagina 84 pagina 84 pagina 84 pagina 86 pagina 91 pagina 97 pagina 100 pagina 106 pagina 108 pagina 111 pagina 112 pagina 113
1. Voorwoord Voor veel mensen zal nanotechnologie als iets futuristisch of misschien zelfs eng in de oren klinken. Nanotechnologie is echter niet zo eng als het lijkt. In feite zijn er overal natuurlijke nanodeeltjes om ons heen, dit zijn namelijk deeltjes van nanogrootte. Er is ook al heel wat nanotechnologie om ons heen te vinden! In geavanceerde elektronische apparaten zoals mobiele telefoons, laptops en andere ‘gadgets’ zijn nanodeeltjes verwerkt, maar ook in andere ‘normale’ producten zoals zonnebrand zitten soms nanodeeltjes. Voor ons profielwerkstuk doen wij onderzoek naar de invloed van nanodeeltjes op de gezondheid van mensen. Dit is een onderwerp dat niet eenvoudig is om mee te werken en waar wij op school eigenlijk geen onderzoek naar kunnen doen. Dit is de reden dat wij ons onderzoek doen in samenwerking met het Instituut voor Nanotechnologie van de universiteit Twente (‘MESA+’). Wetenschappers doen daar namelijk onderzoek naar in hoeverre nanotechnologie een gevaar vormt voor de gezondheid van een mens. Dit is een onderzoek dat wordt uitgevoerd in opdracht van het het rijksinstituut voor volksgezondheid en milieu (het RIVM), waarbij wij mogen ‘aansluiten’ om onderzoek te doen voor ons profielwerkstuk. Hier zijn wij de universiteit Twente erg dankbaar voor. Onze begeleider vanuit de universiteit Twente, Andries van der Meer, heeft ons geweldig geholpen bij ons onderzoek. Natuurlijk bedanken wij ook de begeleidster vanuit school, Roshan Jahangir, voor haar hulp bij het maken van ons profielwerkstuk! Wij zijn geïnteresseerd geraakt in nanotechnologie nadat we toevallig allebei tijdens het journaal een stuk over de mogelijkheden van nanotechnologie in de toekomst hadden gezien. Verf die na het aanbrengen op de muur nog van kleur veranderd kan worden? Daar wilden wij wel meer over weten! Na hier en daar wat informatie opgezocht te hebben, kwamen we erachter dat nanotechnologie ook toegepast zou kunnen worden in de medische sector. Omdat men nog relatief weinig afweet van het ‘gedrag’ van nanodeeltjes is er echter nog veel discussie over de veiligheid van de toepassing van nanotechnologie voor de gezondheid van de mens. Een interessant en controversieel onderwerp wat ons perfect leek voor ons profielwerkstuk! Op deze manier hebben wij de vakgebieden scheikunde en biologie met elkaar weten te combineren. Het onderzoek zelf, was voor ons een hele ervaring. We hebben gewerkt in een celkweeklaboratorium en hebben dingen gezien en gedaan die we op school nooit zouden kunnen zien en doen. Wij hebben twee dagen onderzoek gedaan op de universiteit van Twente en hebben ook een nacht doorgebracht op de campus van de universiteit. Wij waanden ons als echte onderzoekers! Wat na het maken van dit profielwerkstuk zeker is, is dat wij er veel van geleerd hebben.
5
2. Inleiding Het onderwerp van ons profielwerkstuk is in het voorwoord al naar voren gekomen, namelijk nanotechnologie. In ons profielwerkstuk hebben we geprobeerd de natuurwetenschappelijke, maar ook de maatschappelijke kant van dit controversiële onderwerp te belichten, bekijken en onderzoeken. Ons profielwerkstuk bestaat dus eigenlijk uit twee onderzoeken: een laboratoriumonderzoek naar de schadelijkheid van koolstofnanobuisjes voor de mens en een literatuuronderzoek over voorlichting en scholing over nanotechnologie aan middelbare scholieren.
2.1 Laboratoriumonderzoek Bij het laboratoriumonderzoek is onze hoofdvraag: ‘in hoeverre zijn koolstof nanobuisjes schadelijk voor de gezondheid van de mens?’ Deze vraag gaan wij beantwoorden aan de hand van het beantwoorden van de volgende deelvragen:
Wordt het menselijk weefsel (vaatwandendotheel) aangetast door koolstof nanobuisjes? Zo ja: Hoe wordt het menselijk weefsel aangetast door de koolstof nanobuisjes? Bij welke concentratie koolstof nanobuisjes in oplossing wordt het menselijk weefsel aangetast? Welk gevaar vormt de aantasting van het vaatwandendotheel voor de mens?
Onze hypothese is dat de koolstof nanobuisjes niet schadelijk zijn voor de gezondheid van de mens. Deze hypothese gaan wij toetsen door vaatwandendotheel te kweken en daar een oplossing met koolstof nanobuisjes van verschillende concentraties bij te doen. In die oplossing zit ook een stof genaamd Trition x-100 die bij bepaalde concentraties sowieso schadelijk is voor menselijk weefsel. Wij gaan dus ook kijken of de oplossingen met dezelfde concentratie Triton x-100 zonder de koolstof nanobuisjes ook schadelijk zijn voor menselijk weefsel. Door onder een miscroscoop te bekijken hoe de vaatwandendotheelcellen er na achttien tot twintig uur uitzien en de conditie van de cellen te beoordelen hopen wij onze deelvragen en hoofdvraag te kunnen beantwoorden. Ook beoordelen wij met behulp van achtergrondliteratuur wat eventuele schade aan de vaatwandendotheelcellen zou kunnen betekenen binnen het menselijk lichaam.
2.2 Literatuuronderzoek Bij het literatuuronderzoek is onze hoofdvraag: ‘waarom is het voorlichten en scholen van middelbare scholieren over nanotechnologie belangrijk en hoe kan dit worden verbeterd?’ Deze vraag gaan wij beantwoorden aan de hand van het beantwoorden van de volgende deelvragen:
Hoe kan nanotechnologie toegepast worden en is dit het stimuleren waard? Wat zijn de bezwaren tegen het gebruik en toepassen van nanotechnologie? Wat hebben de overheid en de politiek te maken met (onderzoek aan) nanotechnologie? Waarom juist het stimuleren van middelbare scholieren en wat weten middelbare scholieren op dit moment van nanotechnologie af? Welk lesmateriaal over nanotechnologie is er op dit moment voor middelbare scholieren beschikbaar en wat zou hieraan verbeterd kunnen worden?
Onze hypothese is dat het voorlichten en scholen van middelbare scholieren over nanotechnologie belangrijk is omdat zij juist in de toekomst de nanotechnologie verder moeten ontwikkelen om gebruik te kunnen maken van alle toepassingsmogelijkheden van nanotechnologie. Hier is echter nog te weinig lesmateriaal voor. Wij gaan onze deelvragen beantwoorden met behulp van informatie van het internet, uit publicaties over nanotechnologie, krantenartikelen en zelf afgenomen interviews en enquêtes.
6
2.3 Relevantie van ons onderzoek Ons onderzoek is wel degelijk relevant, vooral omdat er nu nog grote discussie bestaat over het gebruik van en onderzoek naar nanotechnologie! Met ons laboratoriumonderzoek kunnen we een klein steentje ‘bijdragen’ aan het grootschalige onderzoek van het RIVM naar het gevaar van nanodeeltjes voor de menselijke gezondheid. Aangezien er heel veel nanodeeltjes bestaan, moet er nog heel veel onderzoek gedaan worden om alle invloeden van nanotechnologie op mens en milieu te achterhalen. Ons onderzoek is in ieder geval al een opzet naar het aantonen van eventuele schadelijke effecten van koolstof nanobuisjes voor de mens. Aangezien het hierbij gaat om een onderzoek naar gevaren voor de gezondheid van mens en milieu, is het onderzoek dus van maatschappelijk belang. ‘Mens en milieu’ omvat namelijk vrijwel alles en iedereen! Het literatuuronderzoek is in die mate van maatschappelijk belang dat er een goed beeld geschetst wordt van de plaats van nanotechnologie in onze maatschappij, op dit moment. De risico’s, maar ook de mogelijkheden van nanotechnologie worden tegenover elkaar gezet en geanalyseerd en ook de waardering van nanotechnologie door bijvoorbeeld de overheid komt aan bod.
7
3. Theorie Bij nanotechnologie wordt gewerkt met nanodeeltjes. Dit zijn zeer kleine deeltjes die net iets groter zijn dan atomen en kleine moleculen.[16]* Ze zijn, zoals de naam al verklapt, enkele honderden nanometers groot (1 nm is gelijk aan 1,0 ∙10-9 m).[2] Door het toepassen van nanotechnologie ontstaan er deeltjes met andere eigenschappen dan normale deeltjes. Je kunt daardoor materialen ontwikkelen die nieuwe dingen mogelijk maken binnen de landbouw, de voedingsindustrie, de technologie en de gezondheidszorg.[16] Met nanotechnologie wordt eigenlijk de techniek van het maken en manipuleren van moleculen bedoeld. Doordat de moleculen kunstmatig gemaakt worden en dus niet in de natuur voorkomen kunnen ze bepaalde bijzondere eigenschappen hebben, die veelal worden veroorzaakt door hun onnatuurlijke molecuulstructuren.[16]
3.1 Algemene theorie 3.1.1 Atomen, moleculen en stoffen Voor het begrijpen van nanotechnologie is er eerst wat basiskennis van de scheikunde nodig. Alles is gemaakt van (een) bepaalde stof(fen). Die stof(fen) zijn weer opgebouwd uit moleculen, die weer opgebouwd zijn uit atomen (ook wel elementen genoemd).[3] Hieronder wordt eerst gekeken naar wat atomen precies zijn, waarna de moleculen en de daadwerkelijke stoffen nader worden bekeken. Atomen Atomen zijn ongeladen deeltjes. Een zuivere stof is opgebouwd uit slechts één soort atomen.[3] [9] Er zijn op aarde 92 natuurlijke atoomsoorten te vinden en er is ook nog een groot aantal atoomsoorten die zijn gemaakt door chemici in kernreactoren en tijdens kernproeven in en na de jaren ’50. Tot op de dag van vandaag worden er nieuwe atoomsoorten ontdekt en gefabriceerd! [3] Een atoom bestaat, volgens het atoommodel van Bohr, uit een kern en een elektronen wolk om die kern. Dit is slechts een klein deel van het atoom, want ongeveer 99,99 procent van een atoom is echt helemaal niets. De kern van een atoom bestaat uit protonen (p+), die positief geladen zijn en uit neutronen (no), die neutraal en dus niet geladen zijn. Het aantal protonen in de kern is bij iedere atoomsoort anders en is dus karakteristiek voor iedere atoomsoort. Het aantal protonen in de kern bepaalt dan ook het atoomnummer van een atoom. Protonen zijn allemaal Figuur 1 - het atoommodel van Bohr positief geladen en stoten elkaar dus af. Dingen met dezelfde lading stoten elkaar immers af. Daarom zitten er ook neutronen in de kern van een atoom. Die werken als het ware als lijmdeeltjes in de kern en voorkomen dat deze splijt.[3] [9] De elektronen (e-) rond een atoom zijn negatief geladen. Deze zorgen ervoor dat de lading van het gehele atoom neutraal wordt. De elektronen rond een atoom zijn in de elektronenwolk in schillen gegroepeerd. Per schil kan er slechts een bepaald aantal elektronen in de ‘baan’ zweven. Dit is om tegen te gaan dat de elektronen (die allemaal negatief zijn geladen) elkaar gaan afstoten. Het maximaal Figuur 2 - elektronenschillen aantal elektronen in de schil is over het algemeen te achterhalen met de formule 2n2, waarbij n het nummer van de schil is, geteld vanaf de binnenste schil.[9] Zo bevat de eerste schil (van het type s) maximaal twee elektronen en de tweede
8
schil (van het type p) maximaal acht. De buitenste schil hoeft echter niet altijd ‘vol’ te zijn. Wanneer een atoom uit meer protonen dan elektronen bestaat, is het atoom positief geladen en wanneer een atoom uit meer elektronen dan protonen bestaat, is het atoom negatief geladen. Het geladen atoom is dan echter geen atoom meer, maar een ion.[3] [9] Hier wordt later verder op ingegaan. De grootte van een gemiddeld atoom is ongeveer 0,3 nm (dat is gelijk aan 0,3∙10-9 m).[2] Om een idee te krijgen van de grootte van een atoom: op 1 mm2 passen ongeveer 3 tot 5 miljoen atomen. De massa van een atoom, het massagetal, is te berekenen door de massa van de protonen, neutronen en elektronen bij elkaar op te tellen (mprotonen kern + mneutronen kern + melektronen = massa van één atoom). De massa van de elektronen is echter te verwaarlozen, omdat deze zo klein is.[3] [9] Het massagetal van een atoom is altijd weergegeven in de atomaire massa eenheid u. 1 u is gelijk aan 1,66∙10-24 g en is gelijk aan de massa van een proton, die weer gelijk is aan de massa van een neutron. Het massagetal is te verkrijgen door het aantal protonen en het aantal neutronen bij elkaar op te tellen.[3] [9] Een element kan verschillende atoommassa’s kennen. Deze zogenaamde isotopen hebben allemaal hetzelfde atoomnummer en dus hetzelfde aantal protonen in de kern. Ze hebben echter een verschillend aantal neutronen in de kern, waardoor de atoommassa’s van elkaar verschillen. De atoommassa van een element is dan ook een gemiddelde atoommassa van de relatieve massa’s van de in de natuur voorkomende isotopen binnen een element. Die isotopen komen in de natuur in een bepaalde verhouding voor. Met behulp van die verhoudingen kan men isotopenonderzoek verrichten en bijvoorbeeld bepalen hoe oud een mummie is.[3] Alle nu bekende atomen staan gerangschikt in het periodiek systeem. Hierin staan de atomen die op elkaar lijken, waarvan het aantal elektronen in de buitenste schil overeenkomt, onder elkaar. Elementen kunnen op twee manieren genoteerd worden: , oftewel of X-(massagetal), oftewel X(protonen + neutronen) .[9] Bovenaan in het periodiek systeem staan de atomen met slechts één elektronen schil, daaronder die met twee en zo door. Een (horizontale) rij in het periodiek systeem wordt een periode genoemd en een (verticale) kolom een Figuur 3 - indeling metalen en niet-metalen groep. Hier wordt later verder op ingegaan. De elementen zijn te verdelen in twee groepen: metalen en niet-metalen (zie figuur 3). Isotopen zijn niet opgenomen in het periodiek systeem.[3] [9] De metalen zijn in te delen op reactiviteit in edele (niet of nauwelijks reactief), onedele (reactief) en zeer onedele metalen (zeer reactief). Ook de niet-metalen zijn op deze manier in te delen in edelgassen (niet reactief), overigen (reactief of zeer reactief) en halogenen (zeer reactief).[9] Er zijn een aantal elementen die sterke overeenkomsten met elkaar vertonen wat betreft chemische eigenschappen. Op basis daarvan zijn de elementen te verdelen in de volgende groepen (zie ook de kolommen in het periodiek systeem in figuur 4)[2] [3] [9]:
Groep 1: de alkalimetalen Dit zijn de zogenaamde zachte metalen, die te snijden zijn met een mes. De elementen reageren van boven naar beneden in het periodiek systeem steeds heftiger met andere stoffen zoals water.[9]
9
Groep 2: de aardalkalimetalen Deze groep metalen is harder dan de alkalimetalen en reageert minder heftig met andere stoffen.[9]
Groep 17: de halogenen Alle elementen uit deze groep komen altijd voor als twee-atomige moleculen. De (in dit geval) moleculen zijn erg reactief en reageren vooral goed met metalen.[9]
Groep 18: de edelgassen Deze elementen zijn niet of nauwelijks reactief, net als edelmetalen.[9]
Figuur 4 - periodiek systeem der elementen
Het periodiek systeem is overigens (nog lang) niet af! Er worden overal in laboratoria steeds nieuwe elementen ontdekt of ‘gefabriceerd’ die dan worden benoemd en toegevoegd aan het periodiek systeem.[3] Moleculen Voor het bouwen van moleculen met atomen zijn er natuurlijk verbindingen tussen die atomen nodig. Die verbindingen worden intramoleculaire bindingen genoemd. Dit zijn bindingen die zich in het molecuul zelf bevinden.[3] [9] Er bestaan drie soorten intramoleculaire bindingen:
Atoombindingen Zuurstofatoom Waterstof Waterstofatoom
Figuur 5 - een watermolecuul
10
Dit zijn bindingen tussen atomen waarbij elektron(en) worden gedeeld door twee of meerde atomen, oftewel een covalente binding. Zoals eerder verteld hoeft de laatste schil van de elektronenwolk van een atoom niet ‘vol’ te zijn. Omdat een atoom altijd de buitenste schil wel
altijd ‘vol’ wil hebben is deze altijd op zoek naar vrije elektronen van andere atomen, deze elektronen heten valentie-elektronen. Hiermee worden de elektronen in de buitenste schil van de elektronenwolk van een atoom bedoeld.[3] [9] Een waterstofatoom (H) heeft bij voorbeeld covalentie 1, wat wil zeggen dat het atoom één bindingsmogelijkheid heeft.[3] Dit komt omdat het atoom slechts één elektron in zijn buitenste schil heeft. Het heeft dus eigenlijk een atoom te veel. Een zuurstofatoom (O) heeft in zijn buitenste schil zes elektronen en heeft dus eigenlijk twee elektronen te weinig en dus covalentie 2. Door van twee waterstofatomen een elektron te lenen zou de buitenste schil van het zuurstofatoom vol zijn. Dan zouden er acht elektronen in de buitenste schil van het zuurstof atoom zitten wat resulteert tot een volle schil. Die elektronen worden dan wel gedeeld met twee andere atomen. Er zijn nu twee atoombindingen gevormd en daarmee een watermolecuul! Er kunnen zich binnen een molecuul dus meerdere atoombindingen bevinden. In figuur 5 wordt dit voorbeeld verduidelijkt. Atoombindingen kunnen alleen tot stand komen tussen niet-metalen deeltjes. Met behulp van atoombindingen kunnen atoomroosters gevormd worden, zoals het geval is in een diamant. Daarin vormen de koolstofatomen een kristalstructuur.[9]
Ionbindingen Een ionbinding komt tot stand doordat ionen, geladen atomen, elkaar in eerste instantie aantrekken. Een ionbinding komt altijd tot stand tussen een metalen en een niet-metalen ion. Zoals eerder verteld kunnen atomen alleen elektronen uit de buitenste schil afstaan en opnemen. De negatieve lading die de elektronen aan een atoom geven wordt normaliter opgeheven door de positieve lading die protonen het atoom geven. Als een atoom echter een elektron opneemt krijgt het atoom er negatieve lading bij en kan de positieve kern de negatieve lading van het atoom niet meer opheffen. Het atoom is dan (negatief) geladen en daardoor een ion geworden. Een ion kan ook positief geladen zijn. Dan heeft het als atoom een elektron afgestaan waardoor de kern positiever is geladen dan dat de elektronenwolk negatief geladen is. Zo is dan de ‘netto-lading’ van het atoom positief. Bij ionbindingen kan een atoom meerdere elektronen afstaan of opnemen.[3] [9] Bij ionbindingen worden eveneens net zoveel elektronen uitgewisseld tot de buitenste schil van de atomen ‘vol’ zijn. De elektronen worden hierbij echter daadwerkelijk uitgewisseld en niet gedeeld, zoals dat bij atoombindingen wel het geval is.[3] [9] Wanneer een atoom bijvoorbeeld twee elektronen afstaat, heeft het een lading van 2+, zoals het ion Ca2+. Wanneer een atoom twee elektronen opneemt wordt de lading 2-, zoals het ion O2-. De lading van een elektron wordt is namelijk -1 e (1 e is gelijk aan 1,6 ∙ 10-19 C).[2] Ieder atoom kan een bepaald aantal elektronen (de valentie-elektronen) afstaan of opnemen. Dit aantal wordt de elektrovalentie van een atoom genoemd. De elektrovalentie geeft aan met welke lading het ion van een element voor kan komen in een zout (zie ook paragraaf ‘stoffen’). ‘Metaalionen’ zijn altijd positief en ‘niet-metaalionen’ zijn altijd negatief geladen. Een negatief ion kan trouwens uit meerdere atomen bestaan, zoals CO32-. Dit heet een samengesteld ion. Er bestaat ook een positief samengesteld ion, het NH4+-deeltje.[3] [9] Sommige metalen hebben meerdere elektrovalenties. In dat geval geeft men in de naam van het ion of van de stof, tussen haakjes en in romeinse cijfers, de elektrovalentie van het ‘metaalion’ aan. Een voorbeeld hiervan is het ijzerion. Het ijzerion heeft twee elektrovalenties: het ijzer(II)ion (Fe2+) en het ijzer(III)ion (Fe3+). Ook bestaan er samengestelde ionen. Dit zijn geladen deeltjes die uit twee elementen bestaan.[3] [9] Samengestelde ionen zijn dus eigenlijk geladen moleculen. Hieronder staan een paar atomen en hun elektrovalentie[3] [9]:
Symbool Positieve ionen (enkelvoudig)
Elektrovalentie
Naam ion
11
Ag Zn Cu Positieve ionen (samengesteld) NH4 Negatieve ionen (enkelvoudig) N Cl Negatieve ionen (samengesteld) OH CO3
1+ 2+ 1+ 2+
zilverion zinkion koper(I)ion koper(II)ion
1+
ammonium-ion
31-
nitride-ion chloride-ion
12-
hydroxide-ion carbonaation
Tabel 1 - enkele ionen met naam en elektrovalentie
De daadwerkelijke ionbinding veroorzaakt een kristalstructuur binnen de stof, vanwege de elektrostatische krachten, het aantrekken en afstoten van de ionen. Want zoals eerder gezegd stoten deeltjes met dezelfde lading elkaar af en trekken deeltjes met tegenovergestelde lading elkaar juist aan. Dit laatste is het principe van een ionbinding. Door de elektrostatische krachten tussen de ionen ontstaat een bepaald ionrooster, de eerder genoemde kristalstructuur van een zout.[3] [9] In figuur 6 is het ionrooster van natriumchloride te zien.
Na+ en Cl- worden samen NaCl (natriumchloride, keukenzout)
Figuur 6 - het ionrooster van NaCl
Metaalbindingen Metaalrooster
Metaalbindingen zijn bindingen tussen metaalionen. Een metaalbinding is een binding die vergelijkbaar is met een ionbinding, met het enige verschil dat het negatieve deeltje waaraan het positieve metaalion bindt een elektron in plaats van een negatief geladen ion is. De binding wordt dus eveneens veroorzaakt door elektrostatische krachten, die ook weer Figuur 7 - een uitvergroot metaalrooster zorgen voor een bepaald rooster; het metaalrooster.[3] [9] Het metaalrooster ziet er wel iets anders uit dan het ionrooster, zoals te zien is in figuur 7. Een metaalrooster bestaat uit lagen met positieve kernen waartussen de negatieve elektronen bewegen. De positieve lagen kunnen daarom over elkaar heen schuiven.
12
Daardoor is het metaalrooster minder star dan een ionrooster. De ‘positieve laag’ en de ‘negatieve laag’ kunnen in een metaalrooster als het ware over elkaar heen bewegen. Dit kan in een ionrooster niet, omdat daarin, in een laag ionen, de deeltjes ook afwisselend positief en negatief geladen zijn. De elektrostatische krachten zijn dan zo gericht dat de ionen helemaal niet kunnen bewegen. Ook is een elektron zeer veel kleiner dan een negatief ion, wat zich in een ionrooster bevindt.[3] [8] Er is dus een groot verschil in grootte tussen het negatieve deeltje en het positieve ion in een metaalrooster! Bij een metaalbinding worden er overigens geen elektronen afgestaan door de metaalionen.[3] [9] De metaalionen nemen dus geen elektronen op.
Polaire atoombinding Bij een polaire atoombinding is het verschil in elektronegativietit (ΔEN) tussen de twee te verbinden atomen ongeveer 0,4. De elektronegativiteit geeft aan hoe sterk een atoom elektronen aantrekt en is te vinden in BINAS tabel 40A. Hoe groter de elektronegativiteit is, hoe sterker het atoom elektronen aantrekt.[6] In een molecuul HCl (dit is waterstofchloride) blijkt bijvoorbeeld dat door het verschil in elektronegativiteit tussen waterstof (H) en chloor (Cl), chloor de elektronen in de atoombinding iets naar zich toe trekt. Het gevolg is dat het molecuul HCl aan de ‘chloor-kant’ iets negatief is geladen (δ-) en aan de ‘waterstof-kant’ juist iets positief (δ+). Omdat er hier sprake is van een kracht richting het chlooratoom, is er sprake van een ‘moment’. Wanneer een molecuul slechts één (moleculair) ‘dipoolmoment’ bevat kan men dat ‘moment’ berekenen door het product van de lengte van de polaire binding (in m) en de grootte van de positieve lading (in C) te nemen.[9] Aangezien er hier met een vectoriële grootheid wordt gewerkt (dit is een grootheid met een richting), namelijk ‘kracht’, kunnen er bij meerdere dipoolmomenten dus ook krachten opgeteld of opgeheven worden. Een molecuul als HCl gedraagt zich als een molecuul met een plus- en minkant en wordt een ‘dipoolmolecuul’ genoemd.[6] Stoffen met moleculen waarvan het (netto) dipoolmoment 0 is worden apolaire stoffen genoemd. Stoffen met moleculen waarvan het dipoolmoment groter is dan 0 worden polaire stoffen genoemd. Op ‘stoffen’ wordt in de volgende paragraaf verder ingegaan.[9]
Stoffen Er zijn tegenwoordig heel veel verschillende soorten stoffen. Al deze stoffen kun je op een bepaalde manieren indelen. De eerste tweedeling die te maken is, is die tussen mengsels en zuivere stoffen. In een mengsel bevinden zich verschillende soorten moleculen en in een zuivere stof bevinden zich moleculen van slechts één soort.[3] [9] De zuivere stoffen zelf zijn te verdelen in drie groepen: stoffen die zowel in de vaste als in de vloeibare toestand geen elektrische stroom kunnen geleiden, de moleculaire stoffen, stoffen die alleen in vloeibare toestand elektrische stroom geleiden, de zouten en stoffen die zowel in vaste als in vloeibare toestand elektrische stroom geleiden, de metalen.[3] [9] Moleculaire stoffen kunnen geen stroom geleiden omdat de stoffen bestaan uit ongeladen deeltjes. Om een elektrische stroom te laten lopen moeten er namelijk geladen deeltjes aanwezig zijn en moeten de geladen deeltjes zich ook vrij kunnen bewegen. Zouten kunnen alleen in vloeibare vorm elektrische stroom geleiden, omdat de geladen deeltjes, de ionen, zich alleen dan vrij kunnen bewegen. Die vloeibare vorm is dan vaak het zout in oplossing (aangeduid met (aq) achter de uiteen gevallen ionen) of wanneer het zout is gesmolten. Alleen dan kunnen de positieve en negatieve ionen vrij bewegen (er is dan geen sprake van een ionrooster). Metalen kunnen in vaste en in vloeibare toestand elektrische stroom geleiden, want de vrije elektronen kunnen in beide toestanden stroom geleiden. De vrije elektronen zijn immers naast elkaar geplaatst in het metaalrooster, waardoor ze lading kunnen doorgeven.[9]
13
Moleculen ontstaan, zoals eerder gezegd, door intramoleculaire bindingen. Om stoffen te vormen zijn er echter ook bindingen nodig tussen verschillende moleculen, de zogenaamde intermoleculaire bindingen.[9] Er zijn verschillende soorten intermoleculaire bindingen mogelijk:
Vanderwaalsbindingen De term ‘vanderwaalsbindingen’ is eigenlijk een verzamelnaam voor alle krachten tussen moleculen die niet het gevolg zijn van een covalente binding of elektrostatische krachten tussen ionen. Vanderwaalsbindingen of -krachten houden eigenlijk in dat er tussen moleculen sprake is van zwakke tot zeer zwakke aantrekkingskracht. Vanderwaalskrachten zorgen voor cohesie, de aantrekkingskracht tussen dezelfde soort moleculen zonder dat er sprake is van daadwerkelijke binding tussen de moleculen en adhesie, de aantrekkingskracht tussen verschillende moleculen zonder dat er sprake is van daadwerkelijke binding tussen de moleculen.[29] Er worden drie verschillende soorten vanderwaalskrachten onderscheiden: - ‘Keesom-krachten’: deze krachten werken tussen twee dipoolmoleculen en zijn te vergelijken met de krachten in een dipool-dipoolbinding. - ‘Debye-krachten’: deze krachten werken tussen een dipoolmolecuul en een ‘tijdelijk dipoolmolecuul’. Een ‘tijdelijk dipoolmolecuul’ ontstaat doordat de elektronen op een bepaalde manier in een apolair molecuul bewegen, die niet per se tot een gelijke verdeling binnen het molecuul leidt. Zo kan er tijdelijk een dipool in het molecuul ontstaan totdat de elektronen weer zo ver zijn bewogen dat ze weer gelijk verdeeld zijn binnen het molecuul en de dipool dus weer verdwijnt. - ‘Londonkrachten’: deze krachten werken alleen tussen ‘tijdelijke dipoolmoleculen’, die in het voorgaande toegelicht zijn.[29] [30]
Dipool-dipoolbinding
Dipool-dipoolbinding
Figuur 8 - een dipool-dipoolbinding
Een dipool-dipoolbinding is een binding tussen twee dipoolmoleculen. Deze kan ontstaan doordat, zoals eerder verteld, dipoolmoleculen zich gedragen als deeltjes met een plus- en een minkant. Hierdoor oefenen dipoolmoleculen dus een elektrostatische kracht op elkaar uit, die te vergelijken is met vanderwaalskrachten (vooral met de ‘Keesomkrachten’). Beiden vallen echter in het niet wanneer zich tussen de moleculen ook waterstofbruggen voordoen. Hier wordt later verder op ingegaan.[4] [9]
Waterstofbruggen Een waterstofbrug is een (aantrekkings)kracht tussen bepaalde moleculen en geeft een molecuul meer verbindingsmogelijkheden binnen een ruimte naast de vanderwaalsbinding. Moleculen met (een) OH- en NH- groep(en) kunnen waterstofbruggen vormen. Polaire moleculen (geladen, met een elektronegativiteit van hoger dan 0,4), moleculen met NH- of OH-groep, moleculen met C=O of C≡N en moleculen met één of meerdere halogenen (F, Cl etcetera) kunnen waterstofbruggen ontvangen.[3] [9] Waterstofbruggen (aangegeven met stippellijn) Figuur 9 - waterstofbruggen
14
Ion-dipoolbinding Een ion-dipoolbinding is een binding tussen een ion (N.B. dit is een geladen deeltje!) en een dipoolmolecuul (deeltjes met een plus- en minkant). Deze binding ontstaat door elektrostatische krachten tussen beide deeltjes en komt voor wanneer je bijvoorbeeld een zout oplost in water. Het zout valt in water uiteen in ionen, die op hun beurt iondipoolbindingen aangaan met het watermolecuul.[31]
Al deze intermoleculaire bindingen hebben een verschil in bindingssterkte. Over het algemeen is de waterstofbrug de sterkste bindingen tussen moleculen. In de tabel hieronder is te zien welke bindingstypen in welke stoffen voorkomen en hoe sterk deze zijn[9]: Bindingstype Intramoleculaire bindingen Atoombinding Ionbinding Metaalbinding Intermoleculaire bindingen Dipool-dipoolbinding Vanderwaalsbinding Waterstofbruggen Ion-dipoolbinding
In welke stof?
sterkte
Moleculaire stof Zouten Metalen
Sterk Sterk Meestal sterk
Moleculaire stof Moleculaire stof Moleculaire stof Zouten
Zwak Zwak Matig Zwak
Tabel 2 - verschillende bindingstypen en hun sterkte
Door de verschillende intermoleculaire bindingstypen binnen stoffen verschillen de fases waarin stoffen zich verkeren bij dezelfde temperatuur. Dit is een kenmerkende eigenschap voor iedere stof.[3] In tabel 2 is te zien dat alle bindingstypen van sterkte verschillen. De verbindingen worden daardoor bij verschillende temperaturen verbroken, waardoor faseovergangen dus ook bij bepaalde temperaturen plaatsvinden.[3] Voor hier verder op in wordt gegaan, worden eerst de fases waarin stoffen zich kunnen verkeren en de faseovergangen nader toegelicht. Er zijn drie fases waarin een stof zich kan verkeren: de vaste toestand (aangeduid met (s)), de vloeibare toestand (aangeduid met (l)) en de gasvormige toestand (aangeduid met (g)). De toestandsaanduiding, de letter s, l of g, staat in reactievergelijkingen achter de desbetreffende stof tussen haakjes.[3] [9] Stoffen gaan bij bepaalde temperaturen over in een andere fase. In figuur 9 is te zien hoe de verschillende fases en faseovergangen worden genoemd. De verschillende fases worden veroorzaakt door de rangschikking van de moleculen van een stof bij een bepaalde temperatuur. De faseovergangen staan bij de pijlen. Een rode pijl geeft aan dat temperatuurstijging de faseovergang veroorzaakt en een blauwe pijl geeft aan dat temperatuurdaling de faseovergang veroorzaakt. Moleculen zijn namelijk vanaf een temperatuur hoger dan 0 K (0 K = -273 ⁰C) in beweging. Eerst trillen de moleculen alleen op een bepaalde plaats, maar naarmate de temperatuur stijgt gaan Figuur 10 - fases van stoffen de moleculen steeds heftiger trillen en uiteindelijk translateraal bewegen.[3] [9] Bij lage temperaturen verkeert een stof in de vaste fase. Op dat moment trillen de moleculen nog zo weinig dat de intermoleculaire bindingen nog niet verbroken kunnen worden. De moleculen trillen
15
dan op een bepaalde plaats in de regelmatige rangschikking die is gevormd door de moleculen in een bepaalde stof (het atoomrooster, ionrooster of het metaalrooster). In vloeibare toestand is deze rangschikking er nog steeds, maar omdat de temperatuur dan hoger is en de moleculen al meer in beweging komen, is de rangschikking niet overal stabiel meer; er zijn al een aantal intermoleculaire bindingen verbroken. In de gasvormige fase is de temperatuur zo hoog dat alle moleculen heftig heen en weer bewegen. Alle intermoleculaire bindingen zijn op dat moment verbroken en er is dus noch sprake meer van een rangschikking van de moleculen binnen de stof, noch sprake van intermoleculaire bindingen.[3] Dit alles is te zien in figuur 11.
Vast (s)
Vloeibaar (l)
Gas (g)
Figuur 11 - rangschikking moleculen tijdens verschillende fases
Iedere stof heeft een ander concensatie-, stol- en smeltpunt (temperatuur waarbij zich de desbetreffende faseovergang plaatsvindt). Dat komt door de verschillende intermoleculaire bindingen binnen stoffen. Wanneer een stof waterstofbruggen bevat, de sterkste intermoleculaire bindingen, zal bijvoorbeeld het kookpunt erg hoog liggen. Omdat de waterstofbrug zo sterk is moeten de moleculen namelijk behoorlijk bewegen om deze te verbreken, wat pas bij een hoge temperatuur gebeurt. Bij zuivere stoffen, stoffen die slechts uit één molecuulsoort bestaan, vinden faseovergangen zich plaats bij één bepaalde temperatuur. Bij mengsels, stoffen die uit meerdere molecuulsoorten bestaan, is sprake van een kook-, smelt- en stoltraject. Dat traject is weer te geven in een curve. Dit komt omdat iedere molecuulsoort zijn eigen kook-, smelt- en stolpunt heeft en dus niet op hetzelfde moment alle moleculen even hevig bewegen. Bij een zout is sprake van een intraen intermoleculaire binding (de ionbinding). Zouten hebben dus een zeer hoog smeltpunt etcetera.[3] Reacties Stoffen worden gevormd door verschillende reacties tussen moleculen en atomen. Bij reacties worden er reactieproducten gevormd uit beginstoffen. Hierbij gaan geen atomen verloren. Er kan dus ook gesproken worden van een ‘hergroepering’ van atomen tijdens een reactie. De bindingen tussen atomen worden verbroken en door de reactie opnieuw, op een andere manier gevormd.[9] Reacties schrijft men op als reactievergelijkingen. Hierbij worden de beginstoffen links genoteerd en gevolgd door een pijl, waarachter de reactieproducten genoteerd staan. Een voorbeeld van een reactievergelijking is: CH4 (g) + O2 (g) 2 H2O (l). De ‘2’ voor H2O is een ‘coëfficiënt’ en geeft aan hoeveel moleculen van de desbetreffende stof bij de reactie betrokken zijn. Stoffen reageren ook altijd in een bepaalde verhouding met elkaar, die af te leiden is van de coëfficiënten. Zo reageren zuurstof (O2 (g)) en water (H2O (l)) in de verhouding 1:2 met elkaar. Deze verhouding wordt ook wel de ‘molverhouding’ genoemd. Een mol is gelijk aan 6,02214∙1023 (dit is de constante van Avogadro) deeltjes en kan dus gezien worden als een ‘pakketje’ deeltjes. De ‘index’ (zoals het getal ‘4’ in CH4) geeft aan hoeveel atomen van een element in een molecuul zitten.[9] De meeste reacties zijn aflopende reacties, die slechts één kant oplopen, namelijk in de richting van de reactiepijl. Deze reacties lopen door tot een van de beginstoffen opraakt. In sommige gevallen is het ook mogelijk dat er chemisch evenwicht optreedt. In dat geval verlopen twee tegengestelde reacties met dezelfde snelheid, waardoor beiden elkaars effecten volledig opheffen. Een evenwichtsreactie wordt op dezelfde manier genoteerd als een ‘gewone’ reactie, met het verschil dat er in plaats van slechts één reactiepijl, twee reactiepijlen in de reactievergelijking staan. Een voorbeeld van een reactievergelijking van een evenwichtsreactie is: 2 H2O (l) H3O+ (aq) +
16
OH- (aq). Met behulp van de concentratiebreuk van deze reactie, is de evenwichtsconstante (K) te berekenen.[4] Met behulp van reactievergelijkingen, molverhoudingen en de evenwichtsconstante kan men onbekend concentraties en hoeveelheden stof berekenen.[4] In de scheikunde zijn er een aantal reactietypen te onderscheiden[9]:
Ontledingsreacties Bij ontledingsreacties vallen moleculen als het ware uit elkaar in elementen. Een ontledingsreactie is de tegengestelde reactie van een vormingsreactie waarbij uit elementen een of meerdere molecuulsoorten worden gevormd.[9] Ontledingsreacties vinden echter niet uit zichzelf plaats. Er zijn drie soorten ontledingsreacties die allemaal worden veroorzaakt door iets anders. Thermolyse is een ontledingsreactie die plaats vindt onder invloed van verhitting. Elektrolyse vindt plaats onder invloed van een elektrische stroom en fotolyse onder invloed van (ultraviolet) licht.[9] Een voorbeeld van een ontledingsreactie (door elektrolyse), is de ontleding van water: 2 H2O (l) 2 H2 (g) + O2 (g).
Neerslagreacties Wanneer twee ionsoorten niet naast elkaar in één oplossing kunnen voorkomen, ontstaat er een neerslag, wanneer de twee ionsoorten met elkaar reageren. Deze reactie wordt een neerslagreactie genoemd. De vergelijking die de reactie tussen de ionen weergeeft, heet een neerslagvergelijking.[9] Een voorbeeld van een neerslagreactie is: Pb2+ (aq) + 2 I- (aq) PbI2 (s).
Zuur-basereacties Bij een zuur-basereactie is er sprake van protonoverdracht. Met een proton wordt hier een H+ deeltje bedoeld. Het molecuul dat een H+ deeltje afstaat wordt een zuur genoemd en het molecuul dat een H+ deeltje opneemt wordt een base genoemd. Sommige zuren kunnen meerdere H+ deeltjes afstaan. Deze zuren worden meerwaardige zuren genoemd. Een deeltje dat zowel zuur als base kan zijn heet een amfolyt.[9] Bij een zuur hoort altijd zijn geconjugeerde base. Samen vormen zij een geconjugeerd zuur-basekoppel. Wanneer een sterk zuur (een zuur dat volledig uiteenvalt in een H+-ion en een ander ion) reageert met een sterke base (een base die volledig uiteenvalt in een OH--ion en een ander ion) vindt er een aflopende reactie plaats. Bij een reactie tussen een sterk zuur en een zwakke base of een zwak zuur een sterke base vindt een evenwichtsreactie plaats die vrijwel aflopend is en bij een reactie tussen een zwak zuur en een zwakke base vindt er ‘echt’ een evenwichtsreactie plaats. Er vindt geen reactie plaats tussen een zeer zwak zuur en een zeer zwakke base. Verder reageert het sterkste zuur altijd met de sterkste base in een oplossing. De sterkte van zuren en basen is te vinden in BINAS tabel 49, waarin het sterkste zuur links bovenaan en de sterkste base rechts onderaan staat.[3] [5] Een voorbeeld van een zuur-basereactie is: HCl (g) + H2O (l) H3O+ (aq) + Cl- (aq).
Redoxreacties Bij redoxreacties is er sprake van elektronenoverdracht of zuurstofoverdracht. Bij een redoxreactie is er een reductor en een oxidator betrokken. Een reductor is een deeltje dat elektronen af kan staan en een oxidator is een deeltje dat elektronen op kan nemen. Tot redoxreacties behoren ook verbrandingsreacties (dit zijn reacties met zuurstof).[9] Het opstellen van een redoxreactie wordt gedaan door twee ‘halfreacties’ bij elkaar op te tellen. Een halfreactie laat de verandering zien van een oxidator door opnemen van één of meer elektronen of de verandering van een reductor door afstaan van één of meer elektronen. Voor het optellen van de twee ‘halfreacties’ wordt eerst de elektronenbalans
17
kloppend gemaakt. De sterkste aanwezige reductor en de sterkste aanwezige oxidator reageren met elkaar. De sterkte van reductoren en oxidatoren is te vinden in BINAS tabel 48, waarin de sterkste oxidator links bovenaan staat en de sterkste reductor rechts onderaan.[4] Om te bepalen of een reactie verloopt moet men Δ V0 berekenen door middel van V0 (oxidator) - V0 reductor. V0 is de standaardelektrodepotentiaal, een maat voor de sterkte van een redoxkoppel. Een redoxkoppel is een geconjugeerd oxidator-reductorpaar, zoals bijvoorbeeld Cu2+ en Cu+. De waarde van de standaardelektrodepotentiaal is ook te vinden in BINAS tabel 48. Een redoxreactie is aflopend wanneer geldt Δ V0 ≥ 0,3 V, zal niet verlopen wanneer geldt Δ V0 ≤ - 0,3 V en een evenwichtsreactie wanneer geldt – 0,3 V < Δ V0 < 0,3 V.[4] [9] Een voorbeeld van een redoxreactie is: RED: Cu Cu2+ + 2 eOX: Fe3+ + e- Fe2+ Cu + 2 Fe3+ Cu2+
[1x] [2x] +
Reacties van koolstofverbindingen Koolstofverbindingen zijn ook een categorie apart wat betreft reacties. Er zijn over het algemeen vier soorten reacties met koolstofverbindingen[9]: - Een ‘additiereactie’: additiereacties zijn reacties waarbij door toevoeging van een molecuul de dubbele (of driedubbele) binding in een molecuul van een koolstofverbinding verdwijnt.[9]
Figuur 12 - een additiereactie
-
Een ‘substitutiereactie’: substitutiereacties zijn reacties waarbij een atoom(groep) door een ander(e) atoom(groep) wordt vervangen.[9]
Figuur 13 - een substitutiereactie
-
Een ‘eliminatiereactie’: eliminatiereacties zijn omgekeerde additiereacties. Er ontstaat een dubbele binding en wordt een kleiner molecuul afgescheiden.[9]
Figuur 14 – een eliminatiereactie
-
Een ‘isomerisatiereactie’: isomerisatiereacties zijn reacties waarbij er alleen een verandering in de molecuulstructuur van een molecuul plaatsvindt.[9]
Figuur 15 – een isomerisatiereactie
18
Polymerisatie Bij polymerisatie reageren monomeren (kleine moleculen van koolstofverbindingen) tot een polymeer (een ketting van de ‘aan elkaar-gereageerde’ monomeren). Dit kan door middel van twee reactietypen tot stand worden gebracht, namelijk door middel van additiepolymerisatie en condensatiepolymerisatie.[9] Bij additiepolymerisatie moeten er monomeren gebruikt worden met een dubbele binding, bijvoorbeeld etheen. De reactie verloopt in dan drie stappen: de initiatie, de propagatie en de terminatie. De reactie begint met het uiteenvallen van een initiator (dit is een stof die de polymerisatiereactie op gang brengt) in twee delen. Door middel van de ene helft van een initiator wordt de dubbele verbinding van het eerste monomeer verbroken, de initiatie. Daarna bindt de initiator aan één kant van een ander monomeer door van dat monomeer de dubbele binding open te breken (dit is de propagatie). Dit gaat door tot alle monomeren ‘op’ zijn. Tenslotte wordt het einde van de keten weer ‘afgesloten’ (dit is de terminatie) door het overgebleven deel van de initiator.[47] Bij condensatiepoloymerisatie zijn er moleculen met een twee ‘functionele groepen’, bijvoorbeeld een combinatie van carbonzuren, aminegroepen en alcholgroepen. Bij condensatiepolymerisatie gebeurt er eigenlijk hetzelfde als bij additiepolymerisatie, maar dan onder afsplitsing van een klein molecuul zoals water.[47]
3.1.2 Nanodeeltjes Nanodeeltjes zijn deeltjes van enkele nanometers groot. Er zijn echter veel verschillende deeltjes van die grootte! Er zijn namelijk deeltjes van enkele honderden nanometers groot die gewoon in de natuur voorkomen, bijvoorbeeld vulkanische stof of (roet)deeltjes die worden uitgestoten door (diesel)motoren. Deze nanodeeltjes vallen niet onder de deeltjes die worden gebruikt in de nanotechnologie, maar onder de zogenaamde categorie ‘fijn stof in de buitenlucht en in het binnenmilieu’.[16] Wij hebben het in ons profielwerkstuk over een andere groep nanodeeltjes: de deeltjes die door wetenschappers worden geproduceerd vanwege hun buitengewone eigenschappen en gedrag, dat afwijkt van ‘gewone’ deeltjes. Onder ‘gewone deeltjes’ worden deeltjes verstaan zoals O2 en C6H12O6, die gewoon in de natuur voorkomen. Een voorbeeld van een stof die zich in nanovorm anders gedraagt dan in gewone (atomaire of moleculaire) vorm is goud. Goud is normaal goudkleurig en een beetje gelig van kleur. Ook is ‘gewoon’ goud een edel metaal, wat betekent dat het niet of nauwelijks reageert met andere stoffen. In nanovorm is goud echter verre van een edel metaal! Goud heeft dan een rode kleur en is erg reactief.[18] Het is natuurlijk niet zo dat een nanodeeltje goud een verknipt atoom is! Het belangrijkste verschil tussen een nanodeeltje en een ‘gewoon’ molecuul is namelijk dat het gewone molecuul gewoon in de natuur voorkomt en dat het nanodeeltjes is gemaakt door mensen.[16] Een nanodeeltje is namelijk gewoon een molecuul, opgebouwd uit atomen, met als verschil dat het molecuul een bepaalde niet-natuurlijke structuur heeft, die ervoor zorgt dat het nanodeeltje bepaalde bijzondere eigenschappen krijgt. Soorten nanodeeltjes Binnen de groep nanodeeltjes uit de nanotechnologie zijn er ook veel verschillende soorten nanodeeltjes.[18] Hieronder staan de meest gebruikte stoffen in nanovorm:
Fullerenen Fullerenen zijn nanodeeltjes die geheel zijn gemaakt van koolstof (C). Deze deeltjes kunnen voorkomen in drie verschillende vormen: in de vorm van een holle bol (een soort voetbal), van een ellipsoïde (bolachtige vorm) en die van een holle buis. Een fullereen heeft de bijzondere eigenschap elektriciteit te kunnen geleiden, net als gewone koolstof deeltjes, maar een
Figuur 16 - een fullereen
19
fullereen in de vorm van een holle bol heeft als extra eigenschap dat hij deeltjes in zich kan meedragen en vervoeren. Dat kan handig zijn in de medische sector. Denk hierbij aan het vervoeren van medicijnen door het menselijk lichaam.[32]
20
Enkelwandige of dubbelwandige koolstof nanobuisjes Koolstof nanobuisjes zijn zeer kleine buisjes geheel gemaakt van koolstof (C). De diameter van de buisjes is kleiner dan 100 nm, maar de lengte kan daarentegen variëren van nanometers tot micrometers (1 micrometer is gelijk aan 1,0∙10-6 m). De koolstof nanobuisjes zijn onder een microscoop te zien als lange draden en worden vaak gebruikt om andere materialen te versterken. Ook deze buisjes Figuur 17 – koolstof nano- kunnen elektriciteit geleiden. De koolstof nanobuisjes worden in de buisjes experimentspecifieke theorie nog uitgebreid behandeld.[32]
Zilver (Ag) Zilverdeeltjes in nanovorm hebben een antibacteriële werking en kunnen daardoor goed worden gebruikt in de medische sector.[32]
Goud (Au) Goud is, zoals eerder verteld, in nanovorm de tegenpool van zijn gewone vorm. In nanovorm is goud een roodkleurige suspensie van gouddeeltjes in water. De nanodeeltjes hebben speciale optische en elektrische eigenschappen, anders dan hun grotere ‘medegouddeeltjes’. Ook kunnen de goud nanodeeltjes binden aan biologische moleculen, waardoor men ze kan gebruiken bij het onderzoeken van biologische structuren onder een elektronen microscoop.[32]
IJzer (Fe) Nanodeeltjes ijzer kunnen worden gebruikt bij de grondwaterzuivering en bij de afvalwaterzuivering, maar ook als katalysator in een brandstofcel. In een brandstofcel kunnen de deeltjes reacties dus sneller laten verlopen.[32]
Koolstof (C) Koolstof in nano-vorm wordt vooral gebruikt als opvul- en verstevigingsmiddel in met name autobanden. Ook worden van nanodeeltjes koolstof fullerenen en koolstof nanobuisjes gemaakt, zoals eerder genoemd.[32]
Titaniumdioxide (TiO2) In gewone vorm wordt titaniumdioxide gebruikt in onder andere bepaalde zonnebrandcrèmes vanwege zijn uv-beschermende eigenschap. In nanovorm wordt de stof ook veel in zonnebrandmiddelen verwerkt tegen de witte waas op de huid na het opbrengen van het middel.[32]
Aluminiumdioxide (Al3O2) Deze stof wordt in nanovorm veel toegepast in coatings, zoals krasvaste lak of schuurmiddelen.[32]
Ceriumdioxide (CeO2) Ceriumdioxide wordt in nanovorm toegevoegd aan brandstof voor dieselmotoren. De deeltjes werken daarin als katalysator en helpen de uistoot van roet uit dieselmotoren te beperken.[32]
Zinkoxide (ZnO) Nanodeeltjes zinkoxide komen vaak voor in zonnebrandmiddelen wegens hun uvbeschermende werking. Ook worden ze soms gebruikt in (andere) cosmetica.[32]
Siliciumdioxide (SiO2) Siliciumdioxide, of ook wel silica genoemd, wordt gebruikt als antiklontermiddel in sommige soorten cement en beton, maar ook in poeders voor de geneesmiddelen- en voedingsindustrie.[32]
3.1.3 Cellen In dit onderzoek wordt gewerkt met menselijk weefsel, vaatwand endotheel wel te verstaan. Menselijk weefsel bestaat uit cellen. Over het algemeen bestaan er vier soorten cellen: plantencellen, schimmelcellen, bacteriecellen en dierlijke cellen. Cellen in menselijk weefsel zijn dierlijke cellen.[2] [8] Er zijn heel veel verschillende dierlijke cellen, met allemaal een andere functie. Zo zijn er bijvoorbeeld spiercellen, zenuwcellen, kraakbeencellen, beencellen en nog veel meer celsoorten. Alle cellen ontstaan uit een soort basiscel, de zogenaamde stamcel. Na determinatie en differentiatie, waarbij bepaalde genen worden geactiveerd en anderen niet, ontstaan er verschillende soorten cellen. De cellen verschillen in vorm, functie en soms iets in bouw, maar ze hebben allemaal gemeen dat ze dezelfde genetische code hebben. Die code staat opgeslagen op het DNA. Hierop wordt later nog verder ingegaan.[8] De dierlijke cel Het ‘stereotype’ dierlijke cel is te vergelijken met het menselijk lichaam. De cel doet aan stofwisseling, heeft een barrière die het externe milieu scheidt van het interne milieu en bevat organellen, die te vergelijken zijn met de organen in het menselijk lichaam.[8] In figuur 18 is te zien hoe een dierlijke cel eruit ziet en daaronder worden de verschillende organellen nader toegelicht.
Figuur 18 - een dierlijke cel
21
Het celmembraan Het celmembraan scheidt de celinhoud van het externe milieu. Het beschermt als het ware de organellen van het externe milieu, net zoals je huid je organen beschermt. Het celmembraan is opgebouwd uit een dubbele laag fosfolipiden, eiwitten en cholesterol. Deze fosfolipiden hebben een hydrofiele kop (fosfaatdeeltje), dat mengt met water en een hydrofobe staart (vetzuur), die juist mengt met vetten. De Figuur 19 - een fosfolipide (transport)eiwitten, zorgen ervoor dat stoffen de cel in of uit worden gepompt.[8] Aan het celmembraan zitten ook vaak receptoren. Deze receptoren zijn koolhydraatketens die kunnen binden aan eiwitten, hormonen en/of enzymen. Iedere receptor kan aan slechts één andere stof binden, dit wordt ook wel vergeleken met het sleutel-slotprincipe. Wanneer de receptor met een andere stof is verbonden wordt er een bepaald proces gestart in de cel. Welk proces, dat ligt aan welke stof met de receptor heeft gebonden.[8] Verder helpt het celmembraan bij het constant houden van de samenstelling van de cel. Het celmembraan is namelijk semi-permeabel. Dit betekent dat het celmembraan selectief stoffen doorlaat. Dit gebeurt door middel van actief transport via eiwitpompen en passief transport zoals diffusie of osmose, de diffusie van water. Diffusie en osmose berusten op het feit dat stoffen altijd streven naar een gelijke concentratie in de hele ‘ruimte’.[8] Wanneer er dus binnen de cel bijvoorbeeld minder water is dan buiten de cel, zal er automatisch water door het celmembraan heen gelaten worden, de cel in. Dit gebeurt net zolang totdat er meer water in de cel zit dan buiten de cel. Dit principe is osmose.
Figuur 20 - de bouw van het celmembraan
22
De celkern De celkern is het deel van de cel waarin het erfelijk materiaal ligt opgeslagen, als een code, in het DNA. Het kernzuur (DNA), in de vorm van een dubbele helix, bevat de genen, die de erfelijke informatie dragen. Het DNA bevindt zich opgerold in chromosomen in het kernplasma, wat wordt omgeven door het kernmembraan, eveneens een membraan van een dubbele laag fosfolipiden, net als het celmembraan. De celkern speelt onder andere een rol bij de eiwitsynthese. Via kernporiën, kleine gaatjes in het kernmembraan, kunnen grote moleculen de kern in en uit worden getransporteerd.[8]
Het cytoplasma Het cytoplasma bestaat uit alle organellen van de cel en het grondplasma, waar de organellen in rond drijven. Hierbij wordt de kern niet tot alle organellen gerekend. Het grondplasma stroomt rond en transporteert stoffen binnen de cel. Het bestaat voor ongeveer 70 procent uit water en voor de rest uit (opgeloste) stoffen zoals zouten, eiwitten en vetachtige stoffen.[8]
Het mitochondrium Het mitochondrium ziet eruit als een soort boon en is opgebouwd uit een dubbel membraan, waarvan het binnenste membraan heel erg geplooid is. Het mitochondrium produceert ATP, de energiebron voor een cel. Hoe meer energie cellen nodig hebben, hoe meer mitochondriën ze bevatten. Spiercellen bevatten dus meer mitochondriën dan bijvoorbeeld zenuwcellen, omdat spiercellen meer energie nodig hebben om te kunnen functioneren dan zenuwcellen.[8]
Endoplasmatisch reticulum (E.R.) Het endoplasmatisch reticulum is een soort kanalensysteem binnen de cel dat bestaat uit dicht op elkaar liggende membranen. Via het endoplasmatisch reticulum worden stoffen binnen de cel getransporteerd.[8]
Ribosomen Ribosomen zijn kleine bolletjes in het cytoplasma en op het endoplasmatisch reticulum die een rol spelen bij de eiwitsynthese. De ribosomen zetten namelijk eiwitten ‘in elkaar’. Op de eiwitsynthese wordt later nog verder ingegaan.[8]
Golgi-apparaat Het golgi-apparaat bestaat uit schijfjes die blaasjes met stoffen kunnen opnemen en afsnoeren. In het Golgi-apparaat kunnen stoffen worden gevormd en opgeslagen. Het golgi-apparaat lijkt qua vorm sterk op het endoplasmatisch reticulum.[8]
Lysosomen Lysosomen zijn blaasjes met enzymen en/of andere stoffen, afkomstig van het golgiapparaat. De lysosomen spelen ook een rol bij de vertering van afgestorven organellen en bij de fagocytose (zie ook figuur 21), waarbij vaste deeltjes in de cel worden opgenomen door een instulping in het membraan. Deze instulping wordt als het ware dichtgesnoerd tot een blaasje, het lysosoom. Andersom kan een lysosoom ook versmelten met het celmembraan en juist stoffen aan het externe milieu van de cel afgeven.[8]
Figuur 21 - de fagocytose
Celgroei Cellen leven; ze groeien, doen aan stofwisseling en planten zich ook voort! Cellen vermenigvuldigen zich door middel van celdeling. De celdeling zorgt er uiteindelijk voor dat delen of organen van het menselijk lichaam groeien door de toename van cellen.[8] Voor dieper wordt ingegaan op de celding is het belangrijk om wat van het leven van een cel af te weten, de celcyclus.
23
De celcyclus begint vanaf het moment dat een cel zich heeft gedeeld en eindigt na de eerstvolgende deling. Dan begint de celcyclus opnieuw. De tijd tussen de twee delingen in wordt de interfase genoemd. De (tijd van de) deling wordt de mitose genoemd. De interfase zelf is ook opgedeeld in verschillende stadia: de G1-fase, de S-fase en de G2-fase. Tijdens de G1-fase groeit de hoeveelheid cytoplasma en het aantal organellen in de cel door middel van eiwitsynthese. De cel wordt dan helemaal opgebouwd van binnen. In de S-fase vindt synthese van het erfelijk materiaal plaats. Ieder chromosoom wordt gekopieerd en bestaat dan uit twee strengen, de chromatiden. Tot slot groeit in de G2-fase de hoeveelheid cytoplasma door, door onder andere eiwitsynthese. De omvang van de cel neemt nu dus toe, tot de cel volgroeid is.[8] Tijdens de mitose vindt de daadwerkelijke celdeling plaats. Bij dierlijke cellen gebeurt dit doordat het celmembraan als het ware wordt ingesnoerd. Ook de mitose vindt plaats in verschillende fases: de profase, de metafase, de anafase en de telofase. Deze worden voorafgegaan door de interfase.[8] Tijdens de profase vindt spiralisatie van de DNA plaats, waardoor de chromosomen, die op dit moment uit twee chromatiden bestaan, zichtbaar worden. Ook verdwijnt nu het kernmembraan. De gespiraliseerde chromosomen rangschikken zich tijdens de metafase in het midden(vlak) van de cel. Dan ontstaat er een soort spoelfiguur doordat er steundraden worden gevormd Figuur 22 - de celcyclus tussen de centromeren (het punt waar twee chromatiden nog net aan elkaar verbonden zijn) en de polen van de cel. Tijdens de anafase worden de chromatiden uit elkaar getrokken. De losse chromatiden heten dan weer chromosomen. Tijdens de laatste fase, de telofase, krijgt iedere celpool weer 2n chromosomen. Dit houdt in dat ieder chromosoom wordt verdubbeld en er weer sprake is van chromosoomparen. Deze chromosoomparen despiraliseren weer en er ontstaan twee nieuwe kernmembranen waarna de deling daadwerkelijk heeft plaatsgevonden.[8] Zie voor verduidelijking figuur 23.
Figuur 23 - 1. De interfase, 2.3. de profase, 4. de metafase, 5. de anafase, 6.7.8. de telofase
24
Mitose vindt in de meeste cellen plaats, maar niet in allemaal. In de sterk gespecialiseerde cellen, zoals spier- en zenuwcellen, vindt geen mitose plaats. Ook in de geslachtscellen vindt geen mitose plaats, hier vindt echter wel meiose plaats.[8] Dit proces is verder niet relevant voor ons onderzoek. DNA DNA staat voor deoxyribo-nucleic-acid (Engels voor deoxyribose nucleïnezuur). Het DNA zit in de kern als chromatine. Dit zijn lange draden die de hele celkern vullen. Tijdens de mitose rollen de draden zich op tot chromosomen, die de gecodeerde erfelijke informatie bevatten; de genen. De lange draden rollen zich hierbij op rond histonen, dit zijn verstevigende eiwitten. Het hele ‘klosje’ DNA is het chromosoom. Na spiralisatie zijn er 23 paar chromosomen aanwezig.[8] Het DNA is opgebouwd uit een dubbele streng nucleotiden. Deze twee strengen zijn als een wenteltrap om elkaar heen gewikkeld. Beide strengen zijn opgebouwd uit nucleotiden en iedere nucleotide bestaat uit een suiker (deoxyribose), een fosfaatgroep en één van de vier stikstofbasen: adenine (A), thymine (T), guanine (G) of cytosine(C).[8] Hieronder is dit schematisch weergegeven. Nucleotide: fosfaatgroep (P) stikstofbase (N) suikermolecuul (S) Gekoppelde nucleotiden: P N – N P S S De beide strengen hechten aan elkaar doordat adenine aan thymine bindt en guanine aan cytosine. De stikstofbasen zijn in het midden van de dubbele helix paarsgewijs verbonden door waterstofbruggen. Langs de ‘randen’ van de dubbele helix is er steeds afwisselend een fosfaatgroep aan een suikermolecuul gekoppeld.[8]
Figuur 24 - de chemische structuur DNA
De twee DNA ketens (helixen) zijn complementair aan elkaar, wat betekent dat ze elkaars spiegelbeeld zijn. De genetische code bestaat uit groepjes van drie opeenvolgende basen, een triplet, wat één codon vormt. De volgorde van de basen in een triplet bepaalt voor welk aminozuur het codon codeert. De achtereenvolgende codons bepalen de volgorde waarin de aminozuren in de eiwitketen geplaatst moeten worden om een bepaald eiwit te maken.[8] Je kunt het DNA dus zien als een soort bouwplan voor eiwitten. Buiten DNA is er ook nog een molecuul wat hier sterk op lijkt en ook belangrijk is bij verschillende processen tijdens de celgroei. RNA is eveneens een nucleïnezuur, zoals DNA. Dit nucleïnezuur bestaat echter slechts uit één streng en bevat slechts de informatie van één gen. Ook wijken twee ‘bouwstenen’ van RNA af van dat van DNA. In het RNA zit het suikermolecuul ribose in plaats van het suikermolecuul deoxyribose. Ook is er geen sprake van de stikstof base thymine (T) in
25
het RNA, maar van de stikstofbase uracil (U). Op de functie van RNA wordt later nog verder ingegaan.[7] [8] DNA en RNA worden op verschillende manier gebruikt in de cel:
Replicatie
Figuur 25 - de replicatie
Bij replicatie wordt het DNA verdubbeld. Dit proces vindt plaats tijdens de mitose. Hierbij zorgt de stof helicase ervoor dat de dubbele helix wordt ontwonden en de waterstofbruggen worden verbroken. De twee DNA strengen openen zich dan. Er is dan sprake van een coderende streng en een template, die complementair is aan de coderende streng. Het DNA wordt afgelezen vanaf het 3’-uiteinde van het DNA naar het 5’-uiteinde van het DNA (zie figuur 25). Het 3’-uiteinde is de vrije OH-groep aan het C3’-atoom van het suikermolecuul. Het 5’-uiteinde, heeft een fosfaatgroep aan het C5’-atoom van het suikermolecuul.er is te zien dat beide strengen van het DNA in de helix in tegengestelde richting wijzen. [7] [8] Nadat de strengen DNA uit elkaar ‘geritst’zijn, maakt het enzym RNA-polymerase een stukje RNA aan, wat dan als startpunt dient voor een nieuw stukje DNA. Het enzym DNA-polymerase verlengt dat stukje RNA met nieuwe DNA nucleotiden, die complementairzijn aan de originele streng. Omdat de ene streng van het 3’- naar het 5’-uiteinde loopt (de leesrichting) en de andere streng juist andersom, moet de andere streng ook iets anders verlopen.[7] [8] Bij de ‘verkeerde’ streng loopt de replicatie andersom (zie eveneens figuur 25)! Bij de ‘achterwaartse synthese’ worden ook eerst korte RNA en DNA fragmenten (dit heet het Okazaki fragment) tegen de originele streng aan gemaakt. Het Okazaki-fragment groeit net zolang tot het bij een eerder gevormd DNA fragment komt. Zo ontstaan er twee nieuwe dubbele helixen.[7]
26
Transcriptie Transcriptie is het proces in de kern waarbij RNA wordt aangemaakt.[7] Er wordt kort gezegd ‘vertaald’ van DNA naar RNA. Bij transcriptie gebeurt ongeveer hetzelfde als bij replicatie. Door RNA-polymerase wijken de twee DNA strengen uiteen. Voor elk gen gebeurt dit op dezelfde plaats, bij het zogenaamde startcodon.Het RNA-polymerase gaat zich dan langs template-streng bewegen
in de 3’5’ richting. Het RNA zelf groeit echter in de 5’3’ richting en begint na enige tijd uit het DNA molecuulte steken. Wanneer het RNA-polymerase het zogenaamde stopcodon op het DNA bereikt, stopt de transcriptie en laat de gevormde RNA-streng los. Hierna sluiten de helixen van het DNA zich weer.[7] [8]
Figuur 26 - de transcriptie
Transcriptie vindt plaats tijdens de eiwitsynthese. Het proces zorgt ervoor dat het DNA wordt vertaald naar RNA zodat de productie van enzymen of andere eiwitten mogelijk wordt gemaakt.[7]
Translatie Translatie is het vertalen van de RNA-code naar specifieke ketens aminozuren. Deze ketens zijn de voorlopers van eiwitten.[7] Op de translatie wordt onder het kopje ‘eiwitsynthese’ verder ingegaan.
Eiwitsynthese
Figuur 27 - de vereenvoudigde eiwitsynthese
De eiwitsynthese is een erg belangrijk proces binnen de cel. Onder andere door middel van eiwitsynthese worden organellen opgebouwd en stoffen aangemaakt, die nodig zijn in het menselijk lichaam.[8] Denk bijvoorbeeld aan het eiwit hemoglobine, wat nodig is in het bloed zodat rode bloedcellen zuurstof op kunnen nemen om dat vervolgens waar nodig weer af te kunnen geven. Eiwitten spelen echter een ook rol bij de afweer, bij spiercontractie, opslag van stoffen, regulatie, verstevigen van celstructuren en zoals net genoemd, bij transport. Verder worden eiwitten gemaakt wanneer ze nodig zijn en afgeleverd op de plaats waar ze nodig zijn.[7] De eiwitsynthese vindt plaats tijdens de G1- en de G2-fase van de celcyclus.[8]
Het proces begint met de DNA-transcriptie, zoals deze in de vorige paragraaf is toegelicht. Het mRNA (messeger RNA of boodschapper RNA) wat dan gevormd is gaat de celkern aan richting een ribosoom waar translatie plaats vindt (zie vorige paragraaf). Het proces begint met het uiteenvallen van een ribosoom in twee zogenaamde subeenheden. Het netgevormde mRNA bindt aan de kleinste subeenheid van het ribosoom met het 5’-uiteinde. Daarna verschuift het mRNA op tot het startcodon en het tRNA (transport RNA) wat bij complementair is aan het startcodon koppelt vast aan het mRNA. Dan sluit de grote subeenheid van het ribosoom weer op het hele complex aan en kan de translatie echt beginnen. Een zogenaamde verlengingsfactor brengt vanaf dan het juiste tRNA, wat complementair is aan het mRNA, naast het reeds aanwezige tRNA. Dit enzym ontkoppelt het eerste aminozuur wat ‘gebracht’ is van het tRNA en zorgt voor een peptidebinding (een binding tussen twee aminozuren) met het ‘nieuw-gebrachte’ aminozuur. Een ander enzym, ook wel de tweede
27
verlengingsfactor genoemd, verwijdert het tRNA wat het eerste aminozuur had gebracht. Hierdoor schuift het ribosoom een codon op naar het 3’-uiteinde van het mRNA. Dit proces herhaalt zich net zolang tot een stopcodon wordt gelezen door het ribosoom. Zo ontstaat er een polypeptideketen aan het ribosoom. Na het aflezen van het stopcodon, bindt een ontkoppelingsfactor aan het mRNA, die de polypeptideketen, het laatste stukje tRNA en het mRNA loskoppelt van het ribosoom. Het ribosoom zou nu in principe weer een nieuwe ‘translatie-cyclus’ kunnen starten.[7] In figuur 28 is wat duidelijker te zien hoe de translatie in z’n werk gaat.
Figuur 28 - de translatie
De volgorde van de aminozuren in de eiwitketen bepaalt hoe de keten opgevouwen moet worden tot een echt eiwit. Dat opvouwen gebeurd tijdens het transport van de keten langs het endoplasmatisch reticulum naar het golgi-apparaat en tijdens de tijdelijke opslag in het golgi-apparaat. De eiwitten die klaar zijn worden in blaasjes van het golgi-apparaat afgescheiden. Soms wordt een eiwit ook klaargemaakt voor transport buiten het golgi-apparaat.[8] Aminozuren hebben een algemene structuur. Ze bevatten allen een carbonzuurgroep, een aminozuurgroep en een restgroep (zie figuur ). Twee aminozuren kunnen aan elkaar gekoppeld worden door een peptidebinding, deze is te zien in figuur 30. Er ontstaat dan een dipeptide onder vorming van water.[48] Door hydrolyse (dit betekent dat er water aan de verbinding wordt toevoegd) kan de peptide verbinding weer verbroken worden. De vorming van een peptide is dus een omkeerbare reactie. Door veel aminozuren aan elkaar te koppelen krijg je een polypeptide, de voorloper van een eiwit. Dit wordt, zoals de naam al een beetje zegt, ook wel een polymerisatie reactie genoemd.[7] [8]
Figuur 29 - de algemene structuur van een aminozuur Figuur 30 - dipeptide opgebouwd uit twee moleculen glycine
Enzymen Een enzym is een biokatalysator en versnelt chemische processen van een substraat, het deeltje waar een enzym aan koppelt, zonder zichzelf te verbruiken. Een enzym is opgebouwd uit een eiwitdeel en een co-enzym, wat meestal een vitamine of een metaalion is. De ruimtelijke structuur van het eiwitdeel is bepalend voor de werking van het enzym en is daarom ‘substraatspecifiek’. Het enzym past slechts op één soort substraat. Meestal is de naam van een enzym dan ook de naam van het substraat plus de uitgang -ase.[8]
28
Een enzym is ook reactiespecifiek, maar kan een evenwichtsreactie vaak wel in beide ‘richtingen’ sneller laten verlopen. Enzymen komen in allerlei delen van de cel en van het lichaam voor en worden vrijwel op dezelfde manier gefabriceerd als andere eiwitten.[8] De werking van enzymen is afhankelijk van de pH en van de temperatuur. Beide kunnen namelijk de ruimtelijke structuur van het enzym aantasten waardoor het enzym niet meer op het bijbekorende substraat past. Boven een bepaalde temperatuur begint namelijk het proces denaturatie, wat ervoor zorgt dat de enzymmoleculen onomkeerbaar vervormen. Wanneer enzym en substraat aan elkaar gekoppeld zijn, vormen zij een enzym-substraatcomplex.[8] De werking van een enzym wordt in figuur 31 verduidelijkt.
Figuur 31- de werking van een enzym
3.2 Experimentspecifieke theorie Er bestaan heel veel verschillende soorten nanodeeltjes, zoals eerder al is uitgelegd. In ons onderzoek wordt gewerkt met slechts één soort nanodeeltjes: de zogenaamde koolstof nanobuisjes. Ook wordt gewerkt met zelfgekweekte vaatwandendotheelcellen. Hieronder worden deze belangrijke benodigdheden bij ons onderzoek nader toegelicht. 3.2.1 Koolstof nanobuisjes Wat koolstof nanobuisjes zijn is reeds uitgelegd. Het zijn buisjes, die geheel gemaakt zijn van koolstof. Koolstof nanobuisjes zijn interessant voor wetenschappers, omdat ze veel perspectief voor de toekomst bieden op het gebied van bijvoorbeeld medicijnen, maar ook in de technische industrie os op het gebied van voedsel(productie). Nu is de vraag of het gebruik van deze deeltjes niet schadelijk kan zijn voor de gezondheid van de mens.[16] Zoals bekend hebben nanodeeltjes andere eigenschappen dan ‘gewone’ deeltjes, die veelal nog onbekend zijn. Het gebruik van dingen met eventuele onbekende ‘bijwerkingen’ brengt risico’s met zich mee, zo ook het gebruik van nanodeeltjes in het dagelijks leven! Ook weet men nog niet zeker of, naast de koolstof nanobuisjes op zich, de grootte van het oppervlak van de buisjes, de lengte van de buisjes en andere factoren invloed hebben op de mate waarin de koolstof nanobuisjes schadelijk zouden kunnen zijn voor de gezondheid van de mens. Wat echter al wel duidelijk is, is dat de deeltjes onder sommige omstandigheden door membranen heen kunnen dringen en zo schade aan zouden kunnen richten aan cellen.[bijlage 6] De deeltjes kunnen dus wel degelijk een gevaar vormen voor de gezondheid. Om erachter te komen onder welke omstandigheden dit fenomeen zich precies voordoet, in welke mate, hoe en of dit fenomeen tegen te gaan is, is nog onduidelijk. Om dat te achterhalen is nog heel wat onderzoek nodig! Er zijn natuurlijk al wat onderzoeken naar de toxiciteit (hiermee wordt de giftigheid van stoffen bedoeld) van koolstof nanobuisjes gedaan. De resultaten van deze onderzoeken spreken elkaar echter vaak tegen.[bijlage 7] Reden voor meer onderzoek dus! Hierdoor zijn de deeltjes zo interessant voor wetenschappers, er is nog niet veel over ze bekend. Koolstof nanobuisjes zijn eigenlijk opgerolde vellen koolstof met aan het begin en het einde van de buis een halve bol gemaakt van koolstof (een half fullereen-skelet). Zo’n vel koolstof wordt grafeen genoemd en is slechts een atoomlaag dik. Een uitgerold vel grafeen ziet eruit als een soort honingraat, zoals te zien is in de figuren 32 en 33.[16]
29
Figuur 32 - SWNT en MWNT
Figuur 33 – verschillende soorten koolstof nanobuisjes
De koolstof atomen zijn ieder verbonden aan drie andere koolstofatomen. Aangezien het atoom koolstof covalentie vier heeft, betekent dit dus dat er aan ieder koolstof atoom één dubbele binding zit, om geen bindingsmogelijkheden over te houden. Dit is anders dan bij diamant, wat ook bestaat uit een koolstofskelet. Bij diamant is ieder koolstofatoom met vier andere koolstofatomen verbonden, wat betekent dat zich binnen het skelet geen dubbele bindingen bevinden. De verbindingen in een koolstof nanobuisje zijn echter sterker dan die in diamant, dankzij de dubbele binding. De structuurformule van een ‘stukje’ (een ring of een ‘plakje’) van een koolstof nanobuisje is te tekenen zoals in figuur 34.[16] Figuur 34 - segment van eenkoolstof nanobuisje
SWNT & MWNT Er zijn grofweg twee soorten koolstof nanobuisjes, namelijk enkelwandige koolstof nanobuisjes (SWNT – single-walled carbon nanotubes)en meerwandige koolstof nanobuisjes (MWNT – Multi-walled carbon nanotubes). Een enkelwandig koolstof nanobuisje is gemaakt van één vel grafeen en heeft slechts één wand. Enkelwandige koolstof nanobuisjes hebben een diameter die kan variëren tussen 0,7 en 20 nm. Een meerwandig koolstof nanobuisje heeft, zoals de naam al zegt, meer dan één wand. De diameter van een meerwandig koolstof nanobuisje kan variëren tussen 1,4 en 100 nm. De Figuur 35 - koolstof nanobuisjes afstand tussen twee wanden is ongeveer 0,34 nm. Beide soorten nanobuisjes kunnen enkele micrometers lang zijn en verenigen zich van nature tot een soort touw waarbij de verschillende nanobuisjes bij elkaar worden gehouden door vanderwaalskrachten.[bijlage 6] Eigenlijk is een meerwandig koolstof nanobuisje gemaakt van in elkaar geschoven enkelwandige koolstof nanobuisjes. Van meerwandige koolstof nanobuisjes bestaan twee verschillende soorten, waar variaties op mogelijk zijn: het ‘Russian doll model’ en het ‘Parchment model’. Bij het ‘Russian doll model’ is een nanobuisje met een kleine diameter in een nanobuisje met een grotere diameter geschoven. Soms worden ook daar omheen nog een of meerdere nanobuisjes geschoven, wat resulteert tot een driedubbelwandig koolstof nanobuisje, of nog meerwandig natuurlijk! Bij het ‘Parchment model’ is een groot vel grafeen meerdere malen om zichzelf gerold, zoals een opgerolde krant. In de praktijk wordt het ‘Russian doll model’ vaker gebruikt.[49]
30
Er bestaan ook meerdere soorten enkelwandige koolstof nanobuisjes. Om die te onderscheiden moet je kijken naar de chirale vector van het vel grafeen waarvan het nanobuisje is gemaakt.[49] De chirale vector Om een koolstof nanobuisje uit een vel grafeen te verkrijgen, moet het vel op een bepaalde manier gevouwen of gerold worden. Zo krijgt het nanobuisje een bepaalde draai, die bepaalt in welke mate het nanobuisje elektrische stroom kan geleiden. Hieruit blijkt dus dat er verschillende soorten (enkelwandige) koolstof nanobuisjes bestaan. Deze verschillende nanobuisjes kunnen namelijk gesorteerd worden op hun chirale vector (n,m). De chirale vector is als volgt te berekenen: 1. Wanneer je een nanobuisje in de lengte door zou knippen, krijgt men een vel grafeen. De linker- en de rechterrand (aangegeven in het blauw bij ‘tube axis’ in figuur 36) van het vel passen precies in elkaar. 2. Zoek op de linkerrand een punt wat een koolstofatoom snijdt (in figuur 36 is dit punt A). 3. Trek nu de ‘armchair-line’ (in figuur 36 aangegeven met een dunne gele lijn). Deze gaat vanuit punt A naar de rechterrand, zo, dat hij alle hexagonen die hij passeert precies door midden deelt of over de grens tussen twee hexagonen gaat. 4. Zoek op de rechterrand een punt wat een koolstofatoom snijdt en dat het dichtste bij de ‘armchair-line’ ligt. Dit wordt punt B genoemd in figuur 36. 5. Trek een lijn van punt A naar punt B. Dit is de chirale vector, R. De ‘armchair-line’ fungeert als de normaal, met ɸ = 0⁰. De vouwhoek is gelijk aan de hoek tussen R en de ‘armchair-line’.[50]
Figuur 36 - de chirale vector (1)
Figuur 37 - de chirale vector (2)
De lijnen a1 en a2 liggen langs de zigzaglijnen vanuit punt A en snijden daardoor van ieder hexagon wat ze passeren één koolstofatoom. Lijn a2 is het spiegelbeeld van lijn a1, gespiegeld in de ‘armchairlijn’ (zie figuren 36 en 37). De lengtes van a1 en a2 worden bepaald door de chirale vector. In de chirale vector (n,m) is n het aantal koolstof atomen dat a1 op de bovenste zigzaglijn snijdt en m is het aantal koolstof atomen dat lijn a2 snijdt, zoals te zien is in figuur 37.[50]
m=0 m=n Andere situaties
Zigzag Armchair Chiraal
Tabel 3 - de ‘m’ in de chorale vector
Aan de chirale vector is ook te zien van welke soort een koolstof nanobuisje is. Er zijn namelijk drie soorten enkelwandige koolstof nanobuisjes, zoals te zien is in tabel 3 Wanneer m in de chirale vector gelijk is aan 0, is het nanobuisje een zigzag nanobuisje. Wanneer m gelijk is aan n is het nanobuisje een ‘armchair nanobuisje’ en wanneer geen van beide situaties van toepassing is, is het nanobuisje een chiraal nanobuisje.[51]
31
Met de chirale vector kun je ook de ideale diameter van een koolstof nanobuisje berekenen, de diameter waarbij stevigheid van het buisje optimaal is. De ideale diameter is te berekenen met de onderstaande formule: In deze formule geldt a=0,246 nm en d is in nm. De bovenstaande formule geldt alleen voor enkelwandige koolstof nanobuisjes.[51] Andere soorten nanobuisjes Meerwandige koolstof nanobuisjes hebben vrijwel dezelfde bouw en eigenschappen als enkelwandige koolstof nanobuisjes, maar zijn veel beter bestand tegen ‘chemicaliën’ van buiten. De buitenste wand kan namelijk aangetast worden door de stoffen van buitenaf, maar de binnenste wand is als het ware beschermd en wordt dus niet aangetast, bij niet al te lange blootstelling aan de desbetreffende chemicaliën. Deze wand wordt dus beschermd door een soort jasje.[51] Bij nanobuisjes met meerdere wanden geldt dit principe natuurlijk ook! Er zijn nog een aantal andere soorten koolstof nanobuisjes. Deze soorten onderscheiden zich alleen in vorm en soms ook in eigenschappen. Er bestaan namelijk ook nog:
De ‘nanotorus’ Dit is een nanobuisje in de vorm van een donut. Deze soort heeft extra bijzondere eigenschappen, namelijk een magnetisch moment en thermische stabiliteit bij bepaalde stralen.[51]
De ‘nanobud’ Dit zijn nanobuisjes die fullerenen op hun wand hebben zitten, als ‘knopjes’. Zo worden de voordelen van nanobuisjes en fullerenen gecombineerd. Ook zijn de nanobuisjes op deze manier ruwer en glijden ze dus minder van oppervlakken af. Dit zorgt voor betere mechanische toepassingen van de nanobuisjes.[51]
Figuur 38 - nanobud
Figuur 39 - nanotorus
De ‘cup-stacked nanotubes’ Deze nanobuisjes zien eruit als in elkaar geschoven kegels en zijn vanwege hun bijzondere vorm erg flexibel.[..]
Figuur 40 - cup-stacked
Eigenschappen van koolstof nanobuisjes De belangrijkste bijzondere eigenschappen van koolstof nanobuisjes zijn dat ze bijzonder sterk zijn, elektriciteit kunnen geleiden en door hun vorm moleculen kunnen vervoeren. Grafeen, waarvan de buisjes zijn gemaakt, is de sterkste stof die tot nu toe ontdekt is. Ook geeft de bouw van de nanobuisjes de buisjes een uitzonderlijke sterkte.[51] In 2008 bleek uit een onderzoek dat een individueel enkelwandig koolstof nanobuisje maximaal een druk van ongeveer 100 GPa kan weerstaan. Dit is gelijk aan 100∙109 Pa en dus ook aan 100∙109 N/m2. Dit is te vergelijken met een voorwerp met een oppervlakte van 1 m2, van 100∙108 kg![2] Vanwege de symmetrie in de bouw van grafeen, kan deze stof erg goed elektrische stroom geleiden. De vorm van het nanobuisje heeft daarom ook invloed op de mate waarin het nanobuisje elektrische stroom geleidt. Wanneer bij de chirale vector van een nanobuisje geldt n=m, is het nanobuisje gelijk aan een metaal wat betreft geleiden van elektrische stroom. Wanneer n-m een
32
meervoud van het getal 3 is, is het nanobuisje een halfgeleider, die slechts bepaalde stroomsterktes kan geleiden. In andere gevallen is het nanobuisje een ‘normale’ halfgeleider, die dus de structuur heeft van een isolator, maar makkelijk geleidbaar te maken is.[51] Koolstof nanobuisjes geleiden ook uitstekend warmte, langs de buis. In het midden van de nanobuis, rond de ‘buis-as’ is er sprake van goede isolatie. Verder is van meerwandige koolstof nanobuisjes is bekend dat ze heel goed nabij infrarood licht (met golflengtes van 800 tot 1600 nm) absorberen en uitzenden.[51] Wanneer er zogenaamde ‘defecten’ in de structuur of in de wand van de koolstof nanobuisjes ontstaan, neemt de sterkte van de nanobuisjes sterk af en ook andere eigenschappen zoals geleiding van warmte kunnen daadoor afnemen.[51] Maken van koolstof nanobuisjes Er zijn in de loop der jaren verschillende manieren ontwikkeld om koolstof nanobuisjes te fabriceren. De koolstof nanobuisjes kunnen ook op een natuurlijke manier ontstaan, zoals in vlammen bij de verbranding van methaan en benzeen. In beide gevallen zijn zowel koolstof nanobuisjes als fullerenen gevonden in roet en in de lucht. De deeltjes die op deze manier ontstaan zijn echter heel verschillend in grootte en kwaliteit.[52] Om koolstof nanobuisjes van dezelfde grootte en kwaliteit te kunnen produceren op grote schaal en met lage kosten zijn er in high-tech laboratoria speciale technieken ontwikkeld:
Arc discharge Dit is de eerste techniek die werd ontwikkeld om koolstof nanobuisjes te produceren. Bij deze techniek worden twee zuivere elektroden van koolstof gebruikt als kathode, de pool waar de stroom vandaan komt en andode, de tegengestelde pool, waar de stroom heen loopt. De elektroden verdampen door een stroom van ongeveer 100 A die door ze heen wordt geleid. De elektroden staan gescheiden van elkaar (1 tot 2 mm afstand) in een omgeving van Helium met een druk van 400 mbar. Op de kathode wordt na verloop van tijd opnieuw een koolstof staaf opgebouwd. Deze bestaat dan uit koolstof nanobuisjes.[52] Met behulp van deze techniek worden vooral meerwandige koolstof nanobuisjes geproduceerd, maar met een metaal als ijzer, cobalt, nikkel, yttrium of molybdeen op de anode of de kathode kunnen er ook enkelwandige koolstof nanobuisjes geproduceerd worden. De hoeveelheid, lengte, diameter en zuiverheid van de nanobuisjes wordt bepaald door factoren zoals het soort gas dat in de omgeving van de elektroden wordt gebruikt, de druk en temperatuur in die omgeving enzovoorts.[52]
Figuur 41 - arc discharge
In figuur 41 is te zien hoe ‘arc discharge’ eruit ziet.
33
Laser ablation Bij deze techniek wordt een sterke laser gebruikt, die wordt gericht op een doel van grafiet om koolstof te verdampen bij een hoge temperatuur. Ook bij deze techniek zijn katalysators nodig om enkelwandige koolstof nanobuisjes te kunnen produceren en hangen kwaliteit en kwantiteit af van dezelfde factoren als bij arc discharge. Het gas argon leidt de verdampte koolstof van de hete ruimte naar de verkoelde ruimte waar de nanobuisjes zich vormen en condenseren tegen de wand van de verkoelde ruimte. Het ‘apparaat’ wat gebruikt wordt voor laser ablation is te zien in figuur 42.[52]
Figuur 42 - laser ablation
Chemical vapor deposition (CVD) Bij deze techniek wordt een stof gebruikt waarin koolstof zit, in de gasfase en een energiebron zoals plasma of een verwarmde spoel om energie over te brengen aan een koolstof molecuul in gasfase. Er worden koolwaterstoffen gebruikt, zoals methaan, maar ook koolstofmonooxide en acetyleen. Het koolwaterstof wordt door een buis van quartz geleidt, die fungeert als oven op een temperatuur van ongeveer 720 ⁰C. Bij de hoge temperatuur vallen de koolwaterstoffen uiteen en ontstaat er zuivere koolstof. De koolstof bindt met een verhit substraat waar een laagje katalysator stof (metalen zoals nikkel, ijzer of cobalt) overheen zit. Bij de juiste omstandigheden ontstaan er dan koolstof nanobuisjes. Bij deze techniek is minder energie nodig dan bij de eerstgenoemde twee processen en deze techniek is makkelijk toepasbaar op grotere schaal.[52] Het proces is verduidelijkt in figuur 43.
Figuur 43 - chemical vapor deposition (CVD)
Onze nanobuisjes In ons onderzoek werken wij met meerwandige koolstof nanobuisjes die tussen de drie en zes wanden hebben. Het poeder van de koolstof nanobuisjes is nauwelijks verontreinigd door een metaal en is meer dan 95% zuiver koolstof. De diameter van de koolstof nanobuisjes varieert van 5,5 to 6,6 nm. Er zitten dus buisjes van verschillende lengte in onze oplossing(en).[bijlage 7]
34
Figuur 44 - MWNT met omhulsel triton
We gebruiken voor de experimenten voor ons onderzoek een ‘oplossing’ waar de koolstof nanobuisjes in zijn gesuspendeerd. De koolstof nanobuisjes lossen namelijk niet goed op in water. Ook trekken de koolstof deeltjes elkaar sterk aan waardoor de buisjes wel eens willen gaan klonteren, wat niet de bedoeling is. Om het klonteren tegen te gaan worden de koolstof nanobuisjes gesuspendeerd in een oplossing van Triton x-100 in water. Triton x-100 is een zeep dat als een omhulsel om de koolstof nanobuisjes heen gaat zitten en de koolstof nanobuisjes een negatieve of neutrale lading geeft. Het enige probleem bij het gebruik van deze stof in de oplossing is, dat de stof giftig is. Triton x-100 is zoals eerder gezegd een zeep, dat bestaat uit moleculen met een hydrofiele kop en een hydrofobe staart (deze zijn te vergelijken met fosfolipiden). Omdat celmembranen van dierlijke cellen bestaan uit een dubbele laag fosfolipiden, die zelf ook uit een hydrofiele kop en een hydrofobe staart bestaan, kan een zeep met het celmembraan mengen. Wanneer de zeep zich met het membraan heeft gemengd kunnen er gaten in het membraan ontstaan waardoor de cel lek raakt, leegloopt, geen organellen meer bevat en dus doodgaat. Om te kijken of cellen doodgaan na blootstelling aan koolstof nanobuisjes, moeten er dus gecontroleerd worden of de concentratie Triton x-100 die de ‘oplossing’ zit op zich al een dodelijk effect heeft op de cellen. Als dat namelijk zo is, weten we na het experiment nog steeds niet of de cellen dood zijn gegaan aan de concentratie triton x-100 of juist aan de concentratie koolstof nanobuisjes. Dit wordt nader toegelicht in de werkwijze. De concentratie koolstof nanobuisjes in de stocksuspensie voor ons onderzoek is 0,1 mg/ml. Om de koolstof nanobuisjes zo goed mogelijk op te proberen lossen is er 1% Triton x-100 aan de suspensie toegevoegd. Dit is een dodelijke concentratie aan Triton x-100 voor dierlijke cellen. Wanneer de stock wordt verdund, zal de concentratie Triton x-100 echter afnemen tot een irrelevante waarde. Voor gebruik wordt de suspensie in een ultrasoon waterbad gezet. In dit waterbad worden ultrasone geluidsgolven gegenereerd waardoor toch aan elkaar geklonterde koolstof nanobuisjes alsnog van elkaar los worden getrild. De ultrasone geluidsgolven hebben een frequentie die te hoog is om met het menselijk gehoor waar te nemen, namelijk die van +/- 20000 Hz tot +/- 800 MHz.[53] 3.2.2 Weefselkweek Wij onderzoeken of koolstofnanobuisjes schadelijk zijn voor de gezondheid van de mens. Er is daarvoor natuurlijk wel menselijk weefsel nodig om mee te kunnen experimenteren. In ons onderzoek wordt gebruik gemaakt van gekweekte vaatwandendotheelcellen. Wij onderzoeken juist vaatwandendotheelcellen omdat die de ‘bekleding’ vormen van de binnenkant van de bloedvaten.[2] Wanneer koolstof nanobuisjes veilig te gebruiken blijken te zijn om bijvoorbeeld medicijnen te vervoeren door het lichaam van een patiënt komen de koolstof nanobuisjes in het bloed terecht. Via het bloed worden ze vervoerd naar alle cellen in het lichaam, maar om de cellen daadwerkelijk te bereiken moeten de koolstof nanobuisjes de vaatwandendotheellaag passeren. Als de koolstof nanobuisjes dan toch giftig blijken te zijn, zouden ze het vaatwandendotheel en ook de rest van het bloedvat aantasten, wat weer gevolgen heeft voor de rest van het lichaam! De deeltjes zijn dan dus toch niet geschikt voor inwendig gebruik, wat jammer zou zijn voor de medische sector. Vaatwandendotheel(cellen) Het bloedvatenstelsel in je lichaam is een transportsysteem wat je hele lichaam voorziet van brandstof (glucose en zuurstof). Ook voert het stelsel afvalstoffen weg. Het hart pompt het bloed
35
door heel het lichaam via de slagaders, aders en haarvaten. Slagaders vervoeren bloed vanaf het hart naar de organen, waar haarvaten alle cellen van bloed voorzien. De aders vervoeren het bloed vanaf de organen weer terug naar het hart, wat het bloed opnieuw in de bloedsomloop zal pompen.[8] Het menselijk lichaam kent een dubbele bloedsomloop. Deze bestaat uit een kleine en een grote bloedsomloop. De kleine bloedsomloop loopt via de longen en voorziet zuurstofarm bloed van zuurstof. Als het zuurstofrijke bloed het hart weer in gaat, pompt die het bloed de grote bloedsomloop in, die via alle organen loopt en deze van zuurstofrijk bloed voorziet. Nadat het bloed zuurstof heeft afgegeven aan alle organen, is het bloed zuurstofarm en wordt het teruggevoerd naar het hart waar de cyclus opnieuw start en het bloed dus weer de kleine bloedsomloop in gaat. Dit is duidelijk te zien in figuur 45.[8] Alle bloedvaten hebben een andere opbouw. Deze wordt toegelicht aan de hand van een doorsnede van alle drie de soorten bloedvaten.
Ader De bouw van de ader is eigenlijk ook meteen de basis voor de slagader en het haarvat. De ader bestaat van buiten naar binnen uit een bindweefsellaag voor stevigheid, een laag glad spierweefsel voor elasticiteit, een basaal membraan en als laatste het vaatwandendotheel. Verder is de ader voorzien van kleppen die voorkomen dat bloed in de tegengestelde richting van waarin het zou moeten stromen gaat stromen. De ader voert namelijk in de ‘laatste helft’ van het bloedvatenstelsel het bloed terug naar het hart. Het bloed heeft dan echter niet meer de stroomsnelheid van nadat het net in de bloedvaten is gepompt. Het moet dus eigenlijk constant in de goede richting voortgestuwd worden.[2] [8] [56]
Figuur 45 - het bloedvatenstelsel
36
Slagader De slagader heeft de dikste doorsnede van de drie soorten bloedvaten. Een slagader moet namelijk als eerste de druk opvangen van een grote hoeveelheid bloed die in één keer door het hart met enorme kracht de bloedsomloop in wordt gepompt. De buitenste laag van een slagader bestaat uit bindweefsel waarbinnen zich ook nog elastisch bindweefsel bevindt. Daarbinnen bevindt zich een laag glad spierweefsel, waarbinnen zich ook weer een laag elastisch bindweefsel bevindt. In de slagader is elastisch bindweefsel nodig om stevigheid te geven aan het vervormen (vooral het uitrekken) van de spierlaag zonder deze te beperken in elasticiteit. De twee binnenste lagen van de slagader zijn het basaal membraan en de vaatwandendotheellaag die met eiwitten aan de basaal membraanlaag is gehecht. Hier wordt later nog verder op ingegaan. Het verschil tussen een ader en een slagader is dat een slagader een dikkere spierlaag bevat en dat deze dikkere spierlaag ook nog eens aan twee kanten wordt omgeven door elastisch bindweefsel. Een slagader heeft ook geen kleppen in het bloedvat, wel aan het begin, bij het hart. Dit zijn de hartkleppen.[2] [8] [54]
Haarvat (of capillair) Het haarvat is het dunste bloedvat in het bloedvatenstelsel. Het zorgt ervoor dat alle cellen in het lichaam contact hebben met het bloedvatenstelsel voor de stofwisseling. In het haarvat vindt dan ook de stofwisseling plaats. Vandaar dat het haarvat zo’n dunne wand heeft. De wand van een haarvat bestaat alleen uit een basaal membraan en een vaatwand endotheellaag. Het haarvat bevat dus geen spierlaag, zoals de ader en slagader die wel hebben.[2] [8] [55]
Figuur 46 - de bouw van bloedvaten
Alle drie de soorten bloedvaten hebben met elkaar gemeen dat ze aan de binnenkant bedekt zijn met een laag vaatwand endotheel. Dit één cellaag dikke endotheel wordt gevormd door vaatwandendotheelcellen. Deze cellen zijn zo gemaakt dat ze naar elkaar toegroeien om grote vlakken te kunnen bedekken. Open plekken in het endotheel zullen daardoor vrij snel dichtgroeien. Ook hebben de cellen, als het goed is, de eigenschap dat ze niet over elkaar heen groeien waardoor het endotheel de dikte van één cellaag behoudt. De endotheellaag hecht zich in het menselijk lichaam aan de vaatwand door middel van eiwitten, ook wel extracellulaire matrix genoemd.[57] Weefselkweek Weefsel wordt gekweekt in een zogenaamd ‘celkweeklaboratorium’. Zo’n lab verschilt in verschillende opzichten van een chemisch lab. Ten eerste staat in een ‘celkweeklaboratorium’ niet de eigen veiligheid voorop. Er wordt namelijk nauwelijks met chemicaliën gewerkt, maar wel veel met cellen. Deze hebben dan ook de hoogste prioriteit wat betreft bescherming. Er moet hoe dan ook voorkomen zien te worden dat de gekweekte cellen geïnfecteerd raken door een bacterie of een schimmel en daaraan doodgaan. Dit ter bescherming van het onderzoek! Ook moet men ervoor zorgen dat de cellen niet doodgaan aan de omgeving waarin ze zich bevinden. De temperatuur, luchtsamenstelling en luchtvochtigheid moeten dan ook ideaal zijn, zoals in het menselijk lichaam, waar de cellen die wij gebruiken in ons onderzoek eigenlijk horen te leven.
Figuur 47 - een kweekfles met endotheelcellen (groen) en medium (roze)
In ons experiment wordt gewerkt met vaatwand endotheelweefselcellen. Voor experimenten kunnen deze cellen makkelijk gekweekt en in leven gehouden worden, waardoor ze zich goed voor de wetenschap lenen. In een ‘celkweeklaboratorium’ leven deze cellen in een kweekfles waar
37
zogenaamd ‘medium’ in zit. Het medium is een pH neutraal (pH 7,4) mengsel wat de cellen voedt, zodat ze optimaal kunnen leven en groeien. In het medium zit over het algemeen zout (dezelfde concentratie als in je bloed), suiker, eiwitten, groeisupplementen en een buffer die de zuurgraad van het medium op pH 7,4 (de pH van het bloed in het menselijk lichaam) houdt. Het medium dat in ons onderzoek wordt gebruikt heet ‘endotheleum growth medium’, of afgekort ‘egm’. De endotheelcellen leven en groeien op de bodem van de kweekfles. Ze zitten aan de bodem vast met eiwitten uit het medium, zoals ze in de bloedvaten ook vastzitten aan de zogenaamde extracellulaire matrix. De cellen grijpen zich met die eiwitten als het ware vast aan de bodem. Na een tijdje zullen de cellen één hele laag op de bodem gevormd hebben. De kweekfles wordt bewaard in een incubator. Dit is een soort koelkast, met het verschil dat de incubator op een temperatuur van 37°C wordt gehouden en niet op een temperatuur van ongeveer 5 ⁰C. De luchtvochtigheid in de incubator wordt op 100% gehouden en de CO2-waarde in de lucht op ongeveer 5%. Deze condities zijn gelijk aan die in het menselijk lichaam. Fibronectine Tijdens experimenten leven de cellen op een experimentele plaat, met zogenaamde wellen. Eigenlijk heten de wellen ‘wells’, afgeleid van het Engelse woord voor put. De wellen lijken ook wel een beetje op putjes. Het zijn een soort kleine petrischaaltjes waarvan de grootte afhangt van het aantal ‘wells’ op de experimentele plaat. Er zijn bijvoorbeeld experimentele platen met 9, 12 en 96 ‘wells’. De experimentele platen zijn van plastic gemaakt, waardoor ze erg glad zijn en de cellen in de ‘wells’ geen goede houvast hebben. Voor de cellen de ‘wells’ ingaan (ook wel zaaien genoemd), wordt in alle ‘wells’ een laagje (coating) eiwit aangebracht. Het eiwit heeft dan dezelfde functie als de extracellulaire matrix in de bloedvaten. In ons onderzoek wordt het eiwit fibronectine als ‘coating’ gebruikt. Dit eiwit komt bij gewervelde dieren in twee verschillende soorten voor[23]:
Oplosbaar plasma fibronectine Dit is een belangrijk component in het bloedplasma en wordt gemaakt in de lever, in de hepatocytus.[23]
Figuur 48 - de structuur van fibronectine
38
Niet-oplosbaar cellulair fibronectine Dit is een heel belangrijke stof in de extracellulaire matrix. Het wordt gemaakt en afgescheiden door verschillende cellen. In die cellen wordt een oplosbaar eiwit omgevormd tot een niet-oplosbaar eiwit fibronectine aan de hand van een complex proces in de eiwitsysthese, waar niet verder op ingegaan wordt. Een niet-oplosbaar fibronectine molecuul kan binden aan een receptor (α5β1 integrin receptor) op bepaalde cellen, zogenoemde fibroblasten. Hierdoor komt er een stof vrij (integrin-gebonden fibronectine) die ervoor zorgt dat fibronectine moleculen beter met elkaar gaan reageren. Er worden dan tussen cellen fibronectine draden gevormd, die naarmate het proces van matrix-vorming vordert omgezet in niet-oplosbare fibronectine vezels. Dat is dan de uiteindelijk extracellulaire matrix.[23]
De eiwitketen fibronectine bestaat uit twee vrijwel indentieke polypeptide-ketens die met elkaar verbonden zijn met een disulfide-verbinding. Deze disulfide-verbinding ontstaat door oxidatie van twee sulfiden, zoals hieronder te zien is in een reactievergelijking.[23]
Figuur 49 - de oxidatie van een disulfide-verbinding
Fibronectine heeft meerdere functies in het menselijk lichaam. Het speelt een rol bij de bloedstolling bij verwonding, bij de celdeling en -groei, bij celdifferentiatie, is onderdeel van de extracellulaire matrix en nog veel meer. Voor ons onderzoek is de functie van fibronectine als extracellulaire matrix natuurlijk de belangrijkste! De vaatwand endotheel weefselcellencellen kunnen zich door middel van receptoren vastbinden aan het netwerk van fibronectinevezels. Dit is in de figuur hiernaast te zien. De α5β1 integrin receptor (= entegrin in figuur) bindt aan de fibronectine (= fibronectin in figuur). Buiten het celmembraan (= plasma membrane in figuur) zijn kruislings verbonden draden met collageen te zien (= cross-linked fibers of collageen) in de extracellulaire matrix. Ook zie je preteoglycaanmoleculen (= proteoglycan in figuur) in de matrix. Deze zorgen voor een dikkere matrix, door het oppervlak dat ze beslaan en werken als een soort kussen tegen druk van buitenaf. Ook vormen zij daardoor een betere barrière tegen snelle verspreiding van micro-organismen en kwaadaardige cellen. Actinefilamenten (= actin filaments) zijn onderdeel van het celskelet. Ze zijn gemaakt van moleculen van het eiwit actine en zorgen voor de stevigheid van de cel.[23] Figuur 50 - binding cel aan fibronectine
Zaaien cellen Voordat de cellen worden gezaaid op de experimentele plaat, moeten ze eerst uit de kweekfles gehaald worden. Daaraan voorafgaand worden de cellen in de kweekfles geteld onder een microscoop. Zo weet men de concentratie cellen in de kweekfles en weet men hoeveel oplossing en van welke concentratie men moet maken om een bepaald aantal cellen per ‘well’ te krijgen. Dit proces wordt nader toegelicht in de werkwijze. Daarna worden de cellen uit de kweekfles gehaald. Dit is een proces wat snel moet gebeuren aangezien de cellen dan even niet onder ideale omstandigheden leven en dus uiteindelijk dood kunnen gaan of kunnen beschadigen. Dat is niet best voor het onderzoek natuurlijk! Eerst zuigt men het medium uit de kweekfles waarna de cellen worden omgespoeld met ‘PBS’, wat staat voor fosfaat gebonden zoutoplossing. Deze zoutoplossing heeft dezelfde concentratie als het zout in het menselijk bloed. De cellen zijn nu gewassen, maar zitten nog wel vast aan de bodem van de kweekfles. Om de verbinding tussen de cellen en het eiwit fibronectine te verbreken wordt het enzym trypsine in de kweekfles gedaan. Trypsine is een enzym dat eiwitten afbreekt tot polypeptiden. Dit enzym werkt normaal in de dunne darm van de mens en wordt gemaakt in de Figuur 51 - structuur van Lysine en Argine alvleesklier. Het product wat daar wordt gefabriceerd is
39
trypsinogeen, de inactieve vorm van trypsine. Het enzym kan zichzelf activeren tot trypsine en is daarom ‘autokatalytisch’. Trypsine is een eiwitketen gemaakt van de aminozuren Lysine en Argine.[58] Trypsine is een zogenaamde endopeptidase en verbreekt peptideverbindingen op allerlei plaatsen in een eiwitmolecuul. Door nu een medium toe te voegen dat ‘Demem’ wordt genoemd, stopt de werking van de trypsine. ‘Demem’ is een mengsel van twee verschillende media: ‘dulbecco’s medium’ en ‘eagle’s medium’. Verder zit er voor 10% feutaal runderserum, 1% penicilline (tegen bacteriën) en 1% L-glutamine in. Het mengsel met cellen wordt in een buisjes gecentrifugeerd op 390 G. Dit is een kracht van 390 keer de zwaartekracht en dus (390 x 9,81 N =) 3825,9 N! De cellen zijn na het centrifugeren allemaal bezonken. Nadat de ‘demem’ weer is vervangen door ‘egm’ is het mengsel met cellen klaar om gezaaid te worden in de ‘wells’. De cellen hebben in de ‘wells’ drie uur de tijd nodig om te kunnen hechten aan de fibronectine om een goede endotheellaag te kunnen vormen. Life/death – indication Met de life/death-indication kan men zien of en hoeveel cellen er dood zijn en leven. Dit wordt gedaan door de cellen te kleuren. Er worden twee vloeistoffen toegevoegd aan de cellen. De één kleurt celkernen rood wanneer de cellen dood zijn, propidiumjodide. Cellen gaan namelijk dood wanneer het celmembraan stuk is. Dan lopen ze als het ware leeg en kunnen ze niet meer functioneren. Wanneer een celkern dus rood kan kleuren betekent het dat de kleurstof door het celmembraan heen kon. Dat kan niet wanneer het celmembraan heel is, dus moet het wel kapot zijn geweest en de cel dus dood. Door hechting aan het DNA kleurt de celkern dan rood.[59] Levende cellen kleuren geheel groen. De kleurstof, calceïne AM, bindt aan een receptor aan de buitenkant van het celmembraan. AM in de naam staat dan ook voor een aminogroep die aan een bepaalde receptor kan binden. De receptor zendt signalen uit waardoor mitochondriën worden geactiveerd. Zij gaan dan een bepaalde stof aanmaken die onder een kwiklamp groen opkleurt. De stof drijft in het hele cytoplasma rond, waardoor de hele cel groen kleurt onder de kwiklamp.[60] Door kleuring van de cellen kunnen de dode of juist de levende cellen makkelijk geteld worden. Van de mate van celdood kan de toxiciteit (dit is de giftigheid) van een oplossing afgeleid worden.
40
Labratoriumonderzoek 4. Onderzoeksvraag en hypothese 4.1
Onderzoeksvraag
Hoofdvraag: in hoeverre zijn koolstof nanobuisjes schadelijk voor de gezondheid van de mens? Deelvragen: Wordt het menselijk weefsel (vaatwandendotheel) aangetast door koolstof nanobuisjes? Zo ja: Hoe wordt het menselijk weefsel aangetast door de koolstof nanobuisjes? Bij welke concentratie koolstof nanobuisjes wordt het menselijk weefsel aangetast? Welk gevaar vormt de eventuele aantasting van het vaatwandendotheel voor de mens?
4.2
Hypothese
Koolstof nanobuisjes zijn niet schadelijk voor de gezondheid van de mens. Dit denken wij omdat ‘gewoon’ koolstof niet giftig is voor de mens, alleen in bepaalde verbindingen kan koolstof giftig zijn. Aangezien de koolstof nanobuisjes geheel uit koolstof bestaan, denken wij dus dat ze geen schadelijke effecten zullen hebben op de gezondheid van de mens.
41
5. Werkplan In ons onderzoek kijken we naar de mate van toxiciteit van carbon nanotubes, dit zijn koolstof nanobuisjes. Met toxiciteit bedoelen we in welke mate de koolstof nanobuisjes giftig zijn voor menselijke weefsels. Ons experiment bestaat grof weg uit twee delen, namelijk het kweken van het vaatwandendotheelcellen en het kijken naar de invloed van oplossingen met verschillende concentraties koolstof nanobuisjes op het vaatwandendotheelweefsel na ongeveer 20 uur.
5.1 Deel 1 - ‘Kweken vaatwandendotheelcellen’ Benodigdheden Kweekfles met vaatwandendotheelcellen in medium Experimentele plaat met 96 wellen Eiwit: Fibronectrine (als coating voor wellen) 7680 µL Microliterpipet (80 µL) Volumepipet (10mL) Maatcilinders (10 mL) Incubator (37⁰C, 100% luchtvochtigheid, 5% CO2) Trypsine (5 ml) ‘medium’ (= endothelium growth medium, egm, 30 ml) Demem+ Centrifuge Vacuümpomp Pasteurspipetten Microscoop Neubauer plaatje Werkwijze Pak de experimentele plaat (96-wells) en vul die elk met 80 µL fibronectrine. Stop de experimentele plaat in de incubator. Laat deze plaat daar twintig minuten rusten, zodat er een coating ontstaat in de wellen. Neem de kweekfles, voorverwarmd op 37⁰C in de incubator, dit is de lichaamstemperatuur, en controleer deze op bacteriële infecties en schimmels onder de microscoop. Dit kun je ook met het blote oog waarnemen; de oplossing moet helder zijn. Haal het medium eruit en spoel de kweekfles om met de zoutoplossing. De cellen zitten nu nog steeds aan de bodem van kweekfles. Voeg nu trypsine toe zodat de endotheelweefselcellen loslaten van de bodem en daarna het anti-medium (Demem+), zodat de reactie stopt. Meng en centrifugeer het geheel vijf minuten met 390G. Zuig de vloeistof uit het buisje, zodat alleen de cellen overblijven. Voeg dan nieuw medium (egm) toe en meng het geheel goed voor een gelijke concentratie cellen in het hele mengsel. Zuig na twintig minuten de overgebleven fibronectrine uit de ‘wells’. Er blijft nu een gevormde coating over. Tel de cellen in het mengsel wat hiervoor is gemaakt onder een microscoop en bereken dan de concentratie van het mengsel. Pipetteer dan 50 µL van de oplossing met endotheelweefselcellen in de ‘wells’. Dit is het uitzaaien van de vaatwandendotheelcellen. Stop de experimentele plaat dan voor 3 uur in de incubator, zodat de cellen kunnen delen en hechten aan de bodem van de ‘wells’.
42
Neubauer slide Figuur 52 - ‘telraam’voor het tellen van cellen
Cellen Tellen Druppel een beetje oplossing op het Neubauer plaatje. Je ziet door het speciale dekglaasje op het plaatje nu vierkantjes in het beeld. Dit maakt het tellen makkelijker. Tel alle cellen binnen het vierkant waarvan de rand drielijnig is, zoals hierboven te zien is. Tel daarbij alleen de cellen binnen het vierkant en op de linker- en bovenrand. Het vierkant is 1 mm lang en 1 mm breed. De ruimte tussen het dekglaasje en de “bodem” van de gleuf in het speciale preparaatglaasje is 0,1 mm groot. Het aantal getelde cellen bevindt zich dus in 1 mm x 1 mm x 0,1 mm = 0,1 mm3 en dus 0,1 µL. Als je de totale hoeveelheid vloeistof weet, kun je de het totale aantal cellen berekenen. De concentratie heb je dan al, namelijk in aantal cellen per µL.
43
5.2 Deel 2 - ‘Koolstofnanobuisjes’ Benodigdheden 0,1 mg/mL Koolstof nanobuisjes (meerwandig) N.B. de oplossing met koolstof nanobuisjes wordt de ‘MCNT-oplossing’ genoemd Triton x-100 Geprepareerde experimentele plaat uit deel 1 Microliterpipet (100 µL, 250 µL en 450 µL) Epjes (16 stuks) Epjeshouder Maatcilinder (10 mL) ‘Medium’ (= endotheleum growth medium, egm) Vacuümpomp Pasteurspipetten Microscoop Het Vortex-apparaat om mengsels te homogeniseren Ethanol 70% Meetmethode Als de cellen zijn gezaaid en aan de bodem van de ‘well’ zijn gehecht, kunnen de cellen blootgesteld worden aan de ‘MCNT-oplossing’. Omdat er in die oplossing, de stockoplossing, de schadelijke stof Triton x-100 zit (1%), moet ook de schadelijkheid van die stof onderzocht worden. Maak dus twee reeksen met 8 oplossingen. Één reeks is de reeks met oplossingen met koolstof nanobuisjes (inclusief Triton x-100) en de andere reeks is de reeks met oplossingen met alleen Triron x-100. De te onderzoeken concentraties lopen van 0 µg/ml tot en met 5,0∙101 µg/ml (zie de tabel 4). De eindconcentratie van 5,0∙101 µg/ml is gekozen, omdat bij blootstelling aan deze concentratie de vaatwandendotheelcellen al zeker dood zullen gaan, vanwege de hoge concentratie Triton x-100. Oplossing 1 doet dienst als positieve controle en oplossingen 8 doet dienst als negatieve controle. Oplossing 1 is 2 keer verdund ten opzichte van de stockoplossing, dus zit er nog maar 0,5 % Triton x-100 in de oplossing. Er moet dus ook een ‘well’ gevuld worden met een oplossing zonder koolstof nanobuisjes, maar wel met 0,5% Triton x-100. Verdun de oplossingen 2 tot en met 7 telkens twee keer ten opzichte van elkaar en de concentratie triton x-100 in de triton reeks dus ook. Pipetteerschema: - pipetteer 250 µL stockoplossing in epje 1. Pipetteer daar ook 250 µL medium in oplossing 1 - pipetteer 50 µL van oplossing 1 in epje 2. Pipetteer daar ook 450 µL medium in oplossing 2 - pipetteer 50 µL van oplossing 2 in epje 3. Pipetteer daar ook 450 µL medium in oplossing 3 - pipetteer 50 µL van oplossing 3 in epje 4. Pipetteer daar ook 450 µL medium in oplossing 4 - pipetteer 50 µL van oplossing 5 in epje 6. Pipetteer daar ook 450 µL medium in oplossing 6 - pipetteer 50 µL van oplossing 6 in epje 7. Pipetteer daar ook 450 µL medium in oplossing 7 - pipetteer 500 µL medium in epje 8 oplossing 8 Herhaal dit pipetteerschema voor de Triton x-100 reeks. Nu de oplossingen klaar zijn, kunnen de ‘wells’, met een bodempje vaatwandendotheelcellen, gevuld worden met de oplossingen. Zuig zes rijen van 8 ‘well’ op de experimentele plaat leeg. Vul de eerste rij met de reeks MCNT-oplossingen en de tweede rij met de reeks oplossingen met Triton x-100. Herhaal dit twee keer. Voer het experiment dus in triplo uit. Markeer op het deksel van de experimentele plaat goed in welke ‘wells’ wat zit! Zet de experimentele plaat weer in de incubator en laat de cellen daar rusten. Haal na 20 uur de cellen weer uit de incubator en bekijk de invloed van de oplossingen op de vaatwandendotheelcellen door het aantal levende cellen per ‘well’ te bekijken onder een microscoop.
44
Oplossing 1 positieve controle 2 3 4 5 6 7 8 negatieve controle (medium)
MCNT-oplossing 1 5,0∙10 µg/ml 0 5,0∙10 µg/ml -1 5,0∙10 µg/ml -2 5,0∙10 µg/ml -3 5,0∙10 µg/ml -4 5,0∙10 µg/ml -5 5,0∙10 µg/ml 0 µg/ml
Triton x-100 0,5% in oplossing 0,05% in oplossing 0,005% in oplossing 0,0005% in oplossing 0,00005% in oplossing 0,000005% in oplossing 0,0000005% in oplossing 0% in oplossing
Tabel 4 - de concentraties van de gebruikte oplossingen
Veiligheid Er moet meer op de veiligheid van de endotheelweefselcellen op kweek worden gelet dan op eigen gezondheid bij dit onderzoek. Dat komt doordat er bij dit experiment niet met hele gevaarlijke chemicaliën wordt gewerkd. Het belangrijkste is dat het weefsel op kweek vrij blijft van infecties, dit gebeurt door middel van de toevoeging van antibiotica aan het medium. Andere eventuele vervuilingsrisico’s worden uitgesloten door het ontsmetten van de handen, het dragen van handschoenen en het ontsmetten van de benodigdheden tijdens het onderzoek door middel van ethanol. Ook wordt het hele experiment uitgevoerd in een luchtzuiveringskast. Een andere maatregel die niet erg milieuvriendelijk is, is het niet hergebruiken van de gebruikte materialen.
5.3 Deel 3 - ‘Analyseren vaatwandendotheelcellen’ Benodigdheden Microscoop aangesloten op computer Kwiklamp 2 microgram/l Calceïne AM (2,5 ml) Propidium jodide (2,5 ml) Microliterpipet Maatcilinders (10 ml) De geprepareerde experimentele plaat uit deel 2 Het Vortex-apparaat om mengsels te homogeniseren Bekijk als eerste onder de microscoop het algemene beeld van de cellen, dan is al te zien of de cellen nog leven of niet. Breng dan de stockoplossingen naar de goede concentratie. Zuig daarna de ‘wells’ leeg en vul deze telkens met 50 microliter calceïne. De ‘wells’ moeten dan 30 minuten rusten in de incubator. Zuig ze daarna weer leeg en doe er 50 microliter PI (Propidium jodide) in en laat de experimentele plaat dan weer tien minuten rusten in de incubator. Met de indicator stoffen die zijn toegevoegd kan men onder de kwiklamp dode cellen met een rode kern en levende cellen (helemaal) groen zien. Maak van de uiteindelijke resultaten foto’s en vergelijk de beelden met elkaar, zodat er uiteindelijk een conclusie uit getrokken kan worden.
5.4 R&S-regels R22/25/28 Schadelijk/(zeer) vergiftig bij opname door de mond De Triton x-100 is giftig bij inslikken en dus opname door het lichaam. S3 Op een koele plaats bewaren Alle stoffen, behalve de media, waarmee gewerkt wordt dienen koel bewaard te worden. S8 Verpakking drooghouden Dit geldt voor alle verpakte benodigdheden. S13 Verwijderd houden van eet- en drinkwaren en van dierenvoeder
45
Dit geldt voor alle (chemische) stoffen waarmee gewerkt wordt. S20 Niet eten en drinken tijdens gebruik Dit geldt voor alle benodigdheden en tijdens alle experimenten! S21 Niet roken tijdens gebruik Dit geldt voor alle benodigdheden en tijdens alle experimenten! S29 Afval niet in de gootsteen werpen Van de koolstof nanobuisjes is nog niet goed bekend of ze schadelijk zijn voor het milieu. S37 Draag geschikte handschoenen Dit tijdens alle experimenten voor het beschermen van de vaatwandendotheelcellen tegen (bacteriële) infecties en schimmels en dergelijken. S46 In geval van inslikken onmiddellijk een arts raadplegen en verpakking of etiket tonen Triton x-100 is voor de mens een giftige stof, van de koolstof nanobuisjes is dit nog niet bekend. S56 Niet in het riool of het milieu lozen, naar een erkent afvalinzamelpunt brengen Het is nog onbekend of koolstof nanobuisjes een schadelijk effect hebben op het milieu.
46
6. Resultaten We hebben het onderzoek in triplo uitgevoerd wat betekent dat we drie ‘Triton-reeksen’ (T1, T2 en T3) en drie ‘MCNT-reeksen’ (C1, C2, C3) hebben. Bij de ‘Triton-reeksen’ is aan de cellen een vloeistof met alleen een bepaalde concentratie Triton x-100 toegevoegd. Bij de ‘MCNT-reeksen’ is aan de cellen een mengsel met een bepaalde concentratie koolstof nanobuisjes en Triton x-100 toegevoegd. Onderstaande foto’s tonen de verschillende ‘wells’ met vaatwandendotheelcellen tijdens de life/death – indication .
6.1 Proef 1 MCNT-reeks (C1)
Concentratie 1 (positieve controle)
Concentratie 2
Concentratie 3
Concentratie 4
Concentratie 5
Concentratie 6
47
Concentratie 7
Concentratie 8 (negatieve controle)
Triton- reeks (T1)
48
Concentratie 1 (positieve controle)
Concentratie 2
Concentratie 3
Concentratie 4
Concentratie 5
Concentratie 6
Concentratie 7
Concentratie 8 (negatieve controle)
6.2 Proef 2 MCNT-reeks (C2)
Concentratie 3
Concentratie 4
Concentratie 5 Triton-reeks (T2)
Concentratie 3
Concentratie 4
49
Concentratie 5
6.3 Proef 3 MCNT-reeks (C3)
Concentratie 3
Concentratie 4
Concentratie 5 Triton-reeks (T3)
Concentratie 3
50
Concentratie 4
Concentratie 5
6.4 Resultaten in tabel Proef 1 Concentratie 1 Concentratie 2 Concentratie 3
C1 – conditie cellen Dood Dood Nauwelijks levende cellen
Concentratie 4 Concentratie 5 Concentratie 6 Concentratie 7 Concentratie 8
Paar levende cellen Levend, goede conditie Levend, goede conditie Levend, goede conditie Levend, goede conditie
T1- conditie cellen Dood Dood Meer levende cellen dan bij concentratie 3 van C1 Levend, goede conditie Geen cellen in well Levend, goede conditie Levend, goede conditie Levend, goede conditie
Tabel 5 - resultaten proef 1
Proef 2 Concentratie 1 Concentratie 2 Concentratie 3
C2 – conditie cellen Dood Dood Nauwelijks levende cellen
Concentratie 4
Veel levende cellen
Concentratie 5
Levend, goede conditie
Concentratie 6 Concentratie 7 Concentratie 8
Levend, goede conditie Levend, goede conditie Levend, goede conditie
T2- conditie cellen Dood Dood Stuk meer levende cellen dan bij concentratie 3 van C2 Prima conditie, meer levende cellen dan bij concentratie 4 van C2 Levend, goede conditie, wel minder cellen dan bij concentratie 5 van C2 Levend, goede conditie Levend, goede conditie Levend, goede conditie
Tabel 6 – resultaten proef 2
Proef 3 Concentratie 1 Concentratie 2 Concentratie 3
C3 – conditie cellen Dood Dood Aantal levende cellen
Concentratie 4
Aantal levende cellen
T3- conditie cellen Dood Dood Ongeveer zelfde aantal cellen als bij concentratie 3 van C3 Levend, goede conditie, veel
51
Concentratie 5
Concentratie 6 Concentratie 7 Concentratie 8
Meer levende cellen dan bij concentratie 4, maar nog niet zoveel als bij concentratie 6 Levend, goede conditie Levend, goede conditie Levend, goede conditie
cellen! Levend, goede conditie
Levend, goede conditie Levend, goede conditie Levend, goede conditie
Tabel 7 – resultaten proef 3
6.5 Berekening aantal ml oplossing met cellen Wij willen dat iedere ‘well’ (een ‘well’ heeft een inhoud van 50 µL) ongeveer 10.000 cellen bevat. 10.000/0,05 ml = 200.000 Dit betekent dat er in totaal 200.000 cellen nodig zijn. Wij hebben drie keer de cellen in de kweekfles geteld na het uitvoeren van deel 1 van ons onderzoek (zie de werkwijze). Wij hebben 109, 112 en 133 cellen geteld. Het gemiddelde hiervan is: (109 + 112 + 133) 3 = 118 cellen Dit aantal cellen is geteld in van 1 mm x 1 mm x 0,1 mm = 0,1 mm3 oplossing met cellen. Omdat 1 mm3 gelijk is aan 1 µL, zitten er dus gemiddeld 118 cellen in 0,1 µL oplossing. Dit betekent dat er in 1 µL oplossing gemiddeld 1180 cellen zitten en in 1 ml: 1180 x 1000 = 1.180.000 cellen (gemiddeld) Omdat wij 2 ml oplossing gaan gebruiken hebben wij dus gemiddeld (2 x 1.180.000 =) 2.360.000 cellen in totaal te verdelen. Dit betekent dus dat wij ongeveer 2∙106/2∙105 = 10 ml oplossing met cellen nodig hebben om onze ‘wells’ allemaal van 10.000 vaatwandendotheelcellen te kunnen voorzien.
52
7. Conclusie Nadat er goede foto’s zijn gemaakt onder de microscoop van de resultaten van het experiment, kunnen we de foto’s analyseren en daar uiteindelijk een conclusie uit trekken. We hebben eerst de conditie van de cellen bekeken zonder kleuring. We konden daar al goed zien of de cellen nog leefden. De cellen zijn namelijk veel kleiner als ze dood zijn, zoals te zien is in figuur 53. Ook konden we op het computerscherm zien dat de levende cellen nog bewogen.
Figuur 53 - cellen C1, concentratie 5 zonder kleuring
Met behulp van onze resultaten kunnen we onze deelvragen en hoofdvraag beantwoorden, die hieronder nogmaals genoemd zijn: Hoofdvraag: in hoeverre zijn koolstof nanobuisjes schadelijk voor de gezondheid van de mens? Deelvragen: Wordt het menselijk weefsel (vaatwandendotheel) aangetast door koolstof nanobuisjes? Zo ja: Hoe wordt het menselijk weefsel aangetast door de koolstof nanobuisjes? Bij welke concentratie koolstof nanobuisjes wordt het menselijk weefsel aangetast? Welk gevaar vormt de eventuele aantasting van het vaatwandendotheel voor de mens? Bij onze proef kunnen we duidelijk zien dat in de eerste twee ‘wells’, met onder andere de positieve controle (met de concentratie 5,0∙101 µg/ml en 5,0∙100 µg/ml MCNT) geen levende cellen meer zitten. We zien echter ook bij de eerste twee rijen ‘wells’ van de Triton-reeksen dat de cellen dood zijn en hieruit kunnen we dus nog niet concluderen of de cellen doodgegaan zijn door de MCNT of door de Triton x-100. Uiteindelijk komen we tot de conclusie dat vanaf de derde rij ‘wells’ de cellen niet meer beïnvloed worden door de Triton x-100. In de derde en vierde ‘well’ bij de ‘Triton-reeksen’ zijn er over het algemeen meer cellen te zien dan bij de ‘MCNT-reeksen’. Bij de ‘wells' waar MCNT aan toegevoegd zijn, is te zien dat er zowel dode als levende cellen aanwezig zijn. Ook is te zien dat de cellen vanaf ‘well’ vier levend en in goede conditie zijn. Zo kunnen wij concluderen dat de concentraties vanaf 5,0∙10-2 µg/ml MCNT niet dodelijk zijn voor de cellen. Wij kunnen dus concluderen dat de vaatwandendotheelcellen, die met de oplossingen met een concentratie oplossing hoger dan 5,0∙100 µg/ml in aanraking zijn gekomen, aangetast zijn door celdood. Vanaf een concentratie kleiner dan 5,0∙10-2 µg/ml is zeker vast te stellen dat de vaatwandendotheelcellen niet aangetast worden door de MCNT en de Triton x-100. Alleen bij blootstelling aan een concentratie van 5,0∙10-2 µg/ml is met zekerheid te zeggen dat de celdood is
53
veroorzaakt door de koolstof nanobuisjes. Bij hogere concentraties kan de celdood ook veroorzaakt zijn door de stof Triton x-100 in de oplossingen. Dit is het antwoord op de deelvraag: wordt het menselijk weefsel (vaatwandendotheel) aangetast door koolstof nanobuisjes? De andere drie deelvragen zijn nu ook makkelijk te beantwoorden. Het vaatwandendotheelweefsel wordt aangetast door celdood door de koolstof nanobuisjes vanaf een concentratie koolstof nanobuisjes van 5,0∙10-1 µg/ml tot 5,0∙10-2 µg/ml in de oplossingen. De aantasting van het vaatwand endotheel is een kwalijke zaak. De aantasting zou namelijk uiteindelijk leiden tot aantasting van de bloedvaten, waardoor zuurstof, voedingsstoffen en afvalstoffen niet goed meer door het lichaam getransporteerd zouden kunnen worden. Dit heeft grote gevolgen voor het functioneren van het menselijk lichaam. Wanneer delen van het lichaam namelijk geen ‘brandstof’ meer krijgen, zullen die niet of nauwelijks meer functioneren. Op bepaalde plaatsen, zoals in de hersenen zou dit dodelijke gevolgen kunnen hebben. De aantasting van de bloedvaten zou ook voor inwendige bloedingen kunnen veroorzaken, die ook de dood als gevolg hebben. Koolstof nanobuisjes kunnen bij concentraties tussen 5,0∙10-1 µg/ml en 5,0∙10-2 µg/ml schadelijk zijn voor de mens, doordat zij celdood kunnen veroorzaken. Dit kan leiden tot verdere schade aan het menselijk lichaam, met mogelijk de dood tot gevolg. Onze hypothese, waarin wij dachten dat de koolstof nanobuisjes niet schadelijk zouden zijn voor de mens, klopt dus niet.
54
8. Discussie In het onderzoek dat wij gedaan hebben kan veel mis zijn gegaan in de nauwkeurigheid van het toevoegen van oplossingen. Het is namelijk zo dat je hele kleine hoeveelheden moet pipetteren en als er een belletje in het dopje van de microliterpipet zit, kunnen er al gauw onnauwkeurigheden ontstaan. Tijdens het experiment moet je veel kleine ‘wells’ vullen, waardoor je niet goed kunt zien welke ‘wells’ al gevuld zijn en welke niet. Het kan dan ook zo gebeuren dat er ‘wells’ worden overgeslagen bij het vullen, zoals dit bij ons het geval is geweest bij T1 concentratie 5 (zie de resultaten). Ook zouden ‘wells’ dubbel gevuld kunnen zijn geweest, waardoor de resultaten onbetrouwbaar worden. Ons onderzoek was eigenlijk geen ‘echte’ triplo, wat onze resultaten wat onbetrouwbaar maakt. Voor een echte triplo, zouden we het hele onderzoek precies zoals we dat nu hebben uitgevoerd (in triplo), op drie verschillende dagen moeten doen met bijvoorbeeld een week tussen iedere proef. Dan worden ook steeds andere cellen gebruikt, wat de resultaten nog betrouwbaarder zou maken.
8.1 Mogelijkheid voor vervolgonderzoek Na het onderzoek dat wij gedaan hebben, kunnen nog veel vervolgonderzoeken gedaan worden. Het vervolgonderzoek dat ons onderzoek het beste zou kunnen aanvullen is het herhalen van ons onderzoek in een ‘echte’ triplo met het gebruik van concentraties die dichter bij elkaar liggen, tussen de cruciale concentraties 5,0∙10-1 µg/ml en 5,0∙10-2 µg/ml. Zo is waarschijnlijk een duidelijk verband te ontdekken tussen de concentratie koolstof nanobuisjes en de mate van celdood. Zo wordt duidelijker vanaf welke concentratie koolstof nanobuisjes niet meer met het menselijk lichaam in contact mogen komen. De werkwijze zal dan precies hetzelfde zijn als bij ons onderzoek. Het enige wat anders zal zijn, zijn de concentraties van de MCNT-oplossingen de Triton-oplossingen. Mogelijke nieuwe concentraties zijn te zien in tabel 8. Oplossing 1 positieve controle 2 3 4 5 6 7 8 negatieve controle (medium)
MCNT -1 6,0∙10 µg/ml -1 5,0∙10 µg/ml -1 4,0∙10 µg/ml -1 3,0∙10 µg/ml -1 2,0∙10 µg/ml -1 1,0∙10 µg/ml -2 0,5∙10 µg/ml 0 µg/ml
Triton x-100 0,5% in oplossing 0,05% in oplossing 0,005% in oplossing 0,0005% in oplossing 0,00005% in oplossing 0,000005% in oplossing 0,0000005% in oplossing 0% in oplossing
Tabel 8 – concentraties van de oplossingen in het vervolgonderzoek
Het beginnen met de concentratie 6,0∙10-1 µg/ml MCNT is om te kijken of de cellen dan allemaal dood zijn, de positieve controle. We hebben in ons eerdere onderzoek gezien dat er zowel levende als dode cellen zijn bij een concentratie van 5,0∙10-1 µg/ml, dus kan men het beste zo dicht mogelijk bij die concentratie blijven om het omslagpunt te bekijken van een concentratie waarbij cellen nog dood gaan en waarbij alle cellen blijven leven. Ditzelfde onderzoek kan overigens ook uitgevoerd worden met andere soorten menselijk weefsel, dan het vaatwandendotheel, of met andere soorten nanodeeltjes. Ook zou men onderzoek kunnen doen naar waardoor de koolstof nanobuisjes celdood veroorzaken bij de vaatwandendotheelcellen.
55
Literatuuronderzoek 9. Inleiding 9.1 Onderzoeksvraag Hoofdvraag: waarom is het voorlichten van middelbare scholieren over nanotechnologie belangrijk en hoe kan dit worden verbeterd? Deelvragen: Hoe kan nanotechnologie toegepast worden en is dit het stimuleren waard? Wat zijn de bezwaren tegen het gebruik en toepassen van nanotechnologie? Hoe hebben de overheid en de politiek te maken met (onderzoek aan) nanotechnologie? Waarom juist het stimuleren van middelbare scholieren en wat weten middelbare scholieren op dit moment van nanotechnologie af? Welk lesmateriaal over nanotechnologie is er op dit moment voor middelbare scholieren beschikbaar en wat zou hieraan verbeterd kunnen worden?
9.2 Beschrijving werkwijze Onze hypothese gaan wij met behulp van informatie uit documenten van de rijksoverheid over nanotechnologie, enquêtes, interviews, internetsites en boeken toetsen. Door middel van een enquête willen we achterhalen wat de kennis van een doorsnee middelbare scholier is over nanotechnologie. Doordat we de voor- en nadelen van het gebruik van nanotechnologie in ons literatuuronderzoek tegenover elkaar zullen gaan zetten, zal ook de dialoog over het gebruik van nanotechnologie in de maatschappij aan het licht komen. Wij gaan ook mensen uit verschillende sectoren van het bedrijfsleven interviewen zodat wij een beter beeld krijgen van hoe nanotechnologie in die sectoren positieve of negatieve ontwikkelingen te weeg zou kunnen brengen. Ook zullen wij een module over nanotechnologie analyseren, die als lesmateriaal wordt gebruikt tijdens de lessen algemene natuurwetenschappen op College Hageveld. Deze module is vrijwel het enige schriftelijke lesmateriaal voor middelbare scholieren over nanotechnologie op dit moment. Aan de hand van alle informatie die wij hebben verzameld, zullen wij de deelvragen uitwerken en beantwoorden in aparte hoofdstukken. Die antwoorden zullen leiden tot onze uiteindelijke conclusie en het antwoord op onze hoofdvraag, waarna duidelijk wordt of onze hypothese klopt of niet.
9.3 Hypothese Het is belangrijk om voorlichting aan middelbare scholieren over nanotechnologie te geven omdat zij in de toekomst de nanotechnologie verder zouden moeten ontwikkelen om alle toepassingsmogelijkheden van nanotechnologie (zo mogelijk) te realiseren. De voorlichting aan middelbare scholieren over nanotechnologie zou verbeterd kunnen worden door meer en beter lesmateriaal over nanotechnologie aan hen te verschaffen. Dit denken wij omdat wij van docenten algemene natuurwetenschappen hebben gehoord dat er vanaf dit jaar wordt gestart met lessen nanotechnologie aan de vierde klas, maar dat er eigenlijk (nog) maar één module is voor middelbare scholieren over nanotechnologie, die ook nog niet uitontwikkeld is. Nanotechnologie zou in het dagelijks leven heel wat ‘revoluties’ te weeg kunnen brengen op gebied van technologie en medicijnen, maar ook in de voedselindustrie en in de chemische industrie. Hier kan echter alleen van geprofiteerd worden wanneer men nanotechnologie verder blijft
56
onderzoeken en verder blijft ontwikkelen. Om dit te bereiken zou men middelbare scholieren al vroeg les moeten geven over nanotechnologie. Per slot van rekening begint alles bij een goede opleiding en op deze manier zou nanotechnologie ook wat meer bekendheid onder de bevolking kunnen krijgen, wat ook weer kan leiden tot meer investering en ontwikkeling in nanotechnologie!
57
10. Hoe kan nanotechnologie toegepast worden en is dit het stimuleren waard? Nanotechnologie biedt veel kansen voor de toekomst, dit is al meerdere keren in ons profielwerkstuk benadrukt. Wat echter nog niet aan bod is gekomen zijn de positieve gevolgen van die ontwikkeling van nanotechnologie. In dit hoofdstuk worden eerst de ‘technologische’ mogelijkheden van nanotechnologie en daarna de positieve gevolgen van (de ontwikkeling van) nanotechnologie besproken.
10.1 (Mogelijke) toepassingen van nanotechnologie Nanotechnologie zou een hoop nieuwe ‘doorbraken’ te weeg kunnen brengen binnen de wetenschap. Deze ‘doorbraken’ zouden op de ontwikkelingen binnen verschillende topsectoren in Nederland ook weer positieve invloed kunnen hebben. De term ‘topsector’ is in het leven geroepen door de Nederlandse overheid. Zij doelt hiermee op de sectoren waarin Nederland wereldwijd sterk is en waar de overheid daarom extra aandacht voor heeft.[25] In figuur 54 is te zien hoe nanotechnologie op korte en op lange termijn toe te passen is binnen de desbetreffende ‘topsector’.
Figuur 54 - nanotechnologie en raakvlakken met topsectoren
In de bovenstaande tabel staan talloze voorbeelden van mogelijkheden om nanotechnologie toe te passen. Al deze toepassingen zijn mogelijk door het kleine formaat van de nanodeeltjes, de techniek van het zelf maken en manipuleren van (nieuwe) deeltjes, de bijzondere eigenschappen die nanodeeltjes hebben of een combinatie van meerdere van de netgenoemde oorzaken.[16] Een ander voorbeeld van een toepassing van nanotechnologie, naast degenen die in figuur 54 staan genoemd, is het gebruiken van nanozilver als antibacterieel middel in sokken, koelkasten en op toetsenborden, zoals eerder genoemd in de theorie voor ons laboratoriumonderzoek.[32] Ook bestaan er zogenaamde ‘nanocoatings’ die na aanbrengen op bijvoorbeeld ramen, het glas waterafstotend en zelfreinigend maken. Er bestaan ook nanocoatings voor op brillenglazen die ervoor zorgen dat er minder weerspiegeling van het licht optreedt. Ook bestaat er ‘nano-naise’. Dit is mayonaise die op nano-schaal zo is aangepast dat de substantie minder calorieën bevat, maar nog steeds dezelfde smaak heeft als ‘normale’ mayonaise.[6]
58
Nanomaterialen zijn over het algemeen erg licht, maar ook heel sterk vanwege de sterke bindingen binnen de materialen![32] Deze zouden dus goed toegepast kunnen worden in bijvoorbeeld de luchten ruimtevaart, waar toestellen en andere ‘bouwsels’ licht en stevig moeten zijn. Wij hebben voor ons literatuuronderzoek ook wat interviews afgenomen bij werknemers binnen bepaalde sectoren om te kijken welke mogelijkheden zij zelf zien in nanotechnologie. Mevrouw C. Remijn en Mevrouw M. van Ruijven zijn beide werkzaam bij een bedrijf in de voedingsmiddelenindustrie, waardoor zij behoorlijk wat afweten van het gebruik van nanodeeltjes in vooral voedingsmiddelen. Zij zijn ervan overtuigd dat nanotechnologie veel toekomstperspectief biedt voor de voedingsmiddelenindustrie, maar ook in andere sectoren, zoals in de medische sector. Wat zij echter wel benadrukken is dat nanodeeltjes overal, van nature al voorkomen. Het enige nieuwe aan nanotechnologie is dat men nu gebruik weet te maken van ‘gemanipuleerde’ (nano)deeltjes. Zo ‘eng’ en nieuw zijn de deeltjes dus niet. Mevrouw R. Jahangir, gepromoveerd in het biochemisch onderzoek en nu scheikunde docent op College Hageveld, denkt dat nanotechnologie in het wetenschappelijk onderzoek niet heel zichtbare veranderingen zal veroorzaken. Zij zegt over de gevolgen van toepassing van nanotechnologie in het wetenschappelijk onderzoek: “al denk ik wel dat het geen hele grote zichtbare veranderingen teweeg zal brengen, eerder vooruitgang (door de schaalverkleining) achter de schermen. Dus dezelfde technieken, maar dan breder inzetbaar.”
10.2 Gevolgen van de ontwikkeling van nanotechnologie Nanotechnologie heeft niet alleen gevolgen op het gebied van wetenschappelijk onderzoek en op het gebied van innovaties in ‘topsectoren’. Bij het mogelijk maken van die innovaties zijn namelijk meer partijen betrokken dan alleen de wtenschappers. De ontwikkeling van nanotechnologie zal dus veel uiteenlopende gevolgen hebben. Omdat nanotechnologie, het manipuleren en maken van (nieuwe) deeltjes, een nieuwe tak binnen de wetenschap is, zijn er natuurlijk nieuwe technieken, maar ook nieuwe (onderzoeks) faciliteiten nodig om met nanodeeltjes te kunnen werken! Vooral die nieuwe onderzoeksfaciliteiten moeten natuurlijk ergens vandaan komen. Nanotechnologie zorgt dus ook voor nieuwe takken binnen de productie van laboratoriumapparatuur. Mevrouw S. Remijn, product specialiste bij een leverancier van laboratorium apparatuur, weet hier alles van. Om veel over nanodeeltjes te weten te komen is nou eenmaal laboratoriumapparatuur nodig. Als voorbeeld noemt zij apparatuur die de grootte van nanodeeltjes kan meten: “Wij verkopen apparatuur die nanodeeltjes kan meten. Indien bij de nanotechnologie deeltjesgrootten gemeten moet worden hebben we hiervoor apparatuur.” Zij is overigens ook van mening dat nanotechnologie een positief effect kan hebben op product ontwikkeling, zoals in de voorgaande paragraaf ruimschoots aan de orde is gekomen. De ontwikkeling van nanotechnologie zal leiden tot meer onderzoek naar nanodeeltjes en de toepassing ervan. De nieuwe ‘nanotechnologie’ wekt immers veel vragen op, onder andere wat betreft de invloed op mens en milieu van de nanodeeltjes. Om de eventuele risico’s die nanotechnologie met zich mee kan brengen (zie ook hoofdstuk 11) te analyseren is natuurlijk ook onderzoek nodig. Er moeten ook manieren gevonden worden om de kennis over nanotechnologie te verspreiden en, zoals voor alles, moeten er ook regels opgesteld worden voor het gebruik van nanotechnologie. Er moet bijvoorbeeld lesmateriaal over nanotechnologie ontwikkeld worden (zie ook hoofdstuk 14). (De ontwikkelingen binnen de) nanotechnologie zullen de overheid, de regering en het Europees parlement dus ook niet ontgaan! Deze maatschappelijke kant van de nanotechnologie moet ook niet vergeten worden. Bij nanotechnologie is dus eigenlijk alles en iedereen betrokken. Door de handige toepassingen van nanotechnologie begint er ook echt een markt te ontstaan voor nanotechnologie. Veel landen willen daarom investeren in nanotechnologie, met als doel natuurlijk het verdienen van geld. Door het
59
verder ontwikkelen van nanotechnologie zouden overigens indirect ook meer banen kunnen ontstaan. Er zijn immers, zoals eerder al een beetje naar voren is gekomen, mensen nodig voor het uitvoeren en analyseren van onderzoek, het maken van laboratoriumapparatuur, het ontwikkelen van lesmateriaal en alle andere zaken die bij (de ontwikkeling van) nanotechnologie komen kijken. Nanotechnologie kan dus zeker ook een positief effect hebben op de economie van een land![25]
10.3 Nano, meer dan alleen ‘gadgets’? Het lijkt altijd een beetje alsof nanotechnologie slechts luxeproducten en ‘hebbedingetjes’ voortbrengt. Dit is niet waar! In de vorige paragraaf is al aan het licht gekomen dat nanotechnologie alles en iedereen (positief) kan beïnvloeden. Vooral nu men oplossingen zoekt voor bijvoorbeeld het feit dat fossiele brandstoffen eens op zullen raken of voor het feit dat er meer schoon drinkwater nodig is in derde wereldlanden. Het kabinet is zelfs van mening dat nanotechnologie daardoor een bijdrage kan leveren aan het halen van de milleniumdoeleinden van de Verenigde Naties.[25] De milleniumdoelen zijn acht concrete doelstellingen die in 2000 zijn vastgesteld door regeringsleiders van 189 landen om voor 2015 de belangrijkste wereldproblemen aan te pakken.[37] De acht milleniumdoelen zijn:
60
De armoede halveren en minder mensen honger Het percentage mensen dat in extreme armoede leeft, moet in 2015 gehalveerd zijn ten opzichte van 1990. Extreme armoede houdt in dat iemand minder dan $1,25 per dag te besteden heeft. In 1990 leefden ongeveer 1,8 miljard mensen in extreme armoede, dit is gelijk aan ongeveer 41,7 procent van de wereldbevolking. Meer mensen moeten daarom aan een fatsoenlijke baan geholpen worden. Ook moet het percentage mensen dat honger lijdt in de wereld in 2015 gehalveerd zijn ten opzichte van het percentage in 1990. Het percentage mensen wat toen honger leed in de wereld was 20 procent.[37]
Alle kinderen naar school In 2015 moeten alle kinderen, overal ter wereld, basisonderwijs kunnen volgen en afronden.[37]
Mannen en vrouwen gelijkwaardig Mannen en vrouwen hebben formeel dezelfde rechten, zoals is vastgelegd in mensenrechtenverdragen. Ondanks dat worden vrouwen in de praktijk toch vaak achtergesteld. Om dit milleniumdoel te bereiken moeten er in 2015 evenveel jongens als meisjes onderwijs volgen in het basis-, middelbaar en hoger onderwijs.[37]
Minder kindersterfte Het percentage kinderen dat voor hun vijfde levensjaar overlijdt, moet in 2015 met tweederde zijn teruggebracht ten opzichte van het percentage in 1990. In het jaar 1990 stierven wereldwijd 12,4 miljoen kinderen.[37]
Verbeteren van de gezondheid van moeders In 2015 moet de moedersterfte met driekwart zijn teruggebracht ten opzichte van 1990. Jaarlijks sterven er nog honderdduizenden vrouwen aan hun zwangerschap, door slechte hygiëne of slechte medische begeleiding tijdens de zwangerschap en de bevalling.[37]
Bestrijding van HIV/aids, malaria en andere dodelijke ziektes In 2015 moet de verspreiding van HIV/aids, malaria en andere veel voorkomende dodelijke ziektes zoals tuberculose gestopt zijn.[37]
Meer mensen in een duurzaam leefmilieu Luchtvervuiling, ontbossing en uitputting van landbouwgrond zijn bedreigingen voor de levensomstandigheden en de gezondheid van de mens. Een duurzaam milieubeleid is daarom van groot belang. Onder andere schoon drinkwater ligt ook aan de basis van een goede gezondheid. In 2015 moet het percentage mensen zonder toegang tot schoon drinkwater en sanitaire voorzieningen dan ook gehalveerd zijn ten opzichte van het percentage in 1990.[37]
Mondiaal samenwerkingsverband voor ontwikkeling Dit doel gaat vooral over hoe rijke landen de armere landen uit de problemen kunnen helpen. Dit zou bijvoorbeeld kunnen door handelsbarrières weg te nemen, het beschikbaar stellen van betaalbare medicijnen aan arme landen etcetera.[37]
Met behulp van nanotechnologie zou een groot aantal doelen bereikt kunnen worden. Met behulp van nanofilters zou er bijvoorbeeld voor meer schoon drinkwater gezorgd kunnen worden op de wereld. Nieuwe en betaalbare medicijnen zouden ook ontwikkeld kunnen worden met behulp van nanotechnologie. Door die medicijnen kan de verspreiding van ziektes zoals HIV/aids, malaria en ander ziektes misschien daadwerkelijk gestopt worden! Ook zou de moeder- en kindersterfte door betere medicatie verminderd kunnen worden. Door goedkopere (medische) diagnostiek (met behulp van bijvoorbeeld ‘lab on a chip’) kan er vooral in derde wereldlanden voor gezorgd worden dat mensen betere en snellere medische hulpverlening kunnen krijgen. Nanotechnologie kan echter bijdragen aan een duurzamer leefmilieu. Door goedkopere en kleinere zonnecollectoren kan men besparen op de reeds schaarse grondstoffen. Deze wekken schone energie op! De zonnecollectoren stoten dus ook geen broeikasgassen uit, die mede zorgen voor de opwarming van de aarde (het versterkte broeikaseffect genoemd). Als gevolg van nanotechnologie kan men dus goedkoper gebruik maken van schonere energie! Door het feit dat nanotechnologie ook toegepast kan worden bij het produceren van duurzame energie op een goedkopere manier, kan nanotechnologie ook een rol spelen bij het naleven van het Kyoto-verdrag. In dit wereldwijde verdrag hebben 37 landen zichzelf verplicht om hun uitstoot van broeikasgassen in 2012 met gemiddeld 5,2 procent te hebben verminderd ten opzichte van in 1990. Nederland moet 6 procent van de uitstoot van broeikasgassen hebben verminderd. Hiervoor heeft het Kyoto-protocol drie middelen gecreëerd[38]:
Emissiehandel Ieder land mag een bepaalde hoeveelheid ‘CO2-equivalenten’ uitstoten. Een land kan deze ‘CO2-equivalenten’ van elkaar overkopen om meer uit te kunnen stoten zonder maatregelen tegen CO2-uitstoot te treffen in eigen land.[38]
Clean Development Mechanism (CDM) Met het Clean Development Mechanism betalen landen met een broeikasgasdoelstelling, de vaak rijkere landen, voor projecten die de uitstoot van broeikasgassen beperken in ontwikkelingslanden (die geen doelstelling hebben). Denk hierbij aan de toepassing van technologieën voor het opwekken van schone energie of herbebossing van ontboste gebieden. De emissiereductie van het project mag het investerende land aftrekken van de eigen CO2-uitstoot, mits aangetoond dat de emissiereductie zonder de investering niet zou hebben plaatsgevonden.[38]
Joint Implementation Hierbij werken twee landen die allebei een reductiedoelstelling hebben samen aan projecten om de uitstoot te verminderen binnen minimaal één van beide landen. Joint implementation
61
vindt, in tegenstelling tot clean development mechanism, plaats in landen met een reductiedoelstelling.[38] Door nanotechnologie toe te passen, kan men meer duurzame en schone energie produceren om het Kyoto-verdrag maar ook andere klimaatafspraken binnen de Europese unie of binnen de Verenigde Naties na te kunnen leven. Uit het bovenstaande blijkt wel, dat nanotechnologie echt de oplossing voor de toekomst is. De technische ‘snufjes’ die te maken zijn met behulp van nanotechnologie zijn leuk, maar nanotechnologie kan ook echt een grote rol spelen bij het oplossen van wereldwijde problemen! Dit is dus zeker het stimuleren van verdere ontwikkeling waard.
62
11. Wat zijn de bezwaren tegen het gebruik en toepassen van nanotechnologie? De nieuwe ontwikkelingen omtrent nanotechnologie brengen behalve veel positieve ontwikkelingen ook veel onzekerheden met zich mee en risico’s met zich mee. Vele partijen die betrokken zijn bij nanotechnologie zoals wetenschappers, mensen uit het bedrijfsleven, de overheid en mensen van maatschappelijke organisaties, zullen intensief met elkaar moeten gaan samenwerken om verantwoord gebruik van nanotechnologie mogelijk te maken. Nanotechnologie vormt niet alleen door de eventuele schadelijkheid voor de gezondheid een risico voor de mens. Men weet namelijk ook nog niet wat de invloed van nanodeeltjes op het milieu zal zijn. De ‘synthetische’ nanodeeltjes komen namelijk in de natuur niet voor. Welke invloed de aanwezigheid van de nanodeeltjes dan zal hebben op bijvoorbeeld complexe ecosystemen op onze aarde, is nog niet bekend. Er moet daarom op een goede manier omgegaan worden met nanotechnologie om eventuele ‘rampen’ te voorkomen.[63]
11.1 Risico’s Er zijn vier typen risico’s te onderscheiden: eenvoudige, complexe, onzekere en ambigue risico’s. Het onderscheiden van deze risico’s maakt het bedenken van oplossingen voor de risico’s makkelijker. Hierbij is de indeling in eenvoudige of complexe risico’s vooral gebaseerd op de tijd die het oplossen van het probleem kost of gaat kosten. Verder berust de indeling in de vier risicotypen op de mate van ‘ongetemdheid’ van de risico’s. Ook berust de indeling in de vier risicotypen onder andere op complexiteit, waarbij eenvoudige risico’s uiteraard weinig complex en ambigue risico’s zeer complex zijn. De risico’s die aan nanotechnologie kunnen kleven behoren veelal tot de onzekere risico’s.[39] De ‘klassieke risicobenadering’, die wordt toegepast op de risico’s van nanotechnologie, bestaat uit twee delen: de risicoanalyse en het risicomanagement. De ‘klassieke risicobenadering’ kan men toepassen op de eenvoudige en complexe risicoproblemen. Volgens de WRR (Wetenschappelijke Raad voor het Regeringsbeleid) kan deze niet worden toegepast op de onzekere en ambigue risico’s. De onzekere risico’s ontstaan vaak door ontwetendheid over de kansen en risico’s van de, in dit geval, nieuwe technologie en het ontbreken van fundamentele kennis. Nanotechnologie hoort dus zeker bij deze categorie risico’s. De ambigue risico’s ontstaan doordat er controversiële afwegingen moeten worden gemaakt over de voor- en nadelen van de nieuwe technologie.[39] Nanotechnologie is dus ook een ambigue risico te noemen. Eigenlijk kan nanotechnologie aan alle vier de typen risico’s gerelateerd worden. Er moeten dan ook verschillende oplossingen bedacht worden voor het inperken van de risico’s van nanotechnologie. Enerzijds zal de overheid een breed maatschappelijk debat moeten aangaan om ontwetendheid over nanotechnologie (door het ontbreken van fundamentele kennis ten aanzien van de kansen en risico’s) de kop in te drukken. Anderzijds zal er ook op Europese en mondiale schaal moeten worden gewerkt aan het in kaart brengen van die eventuele risico’s die aan het gebruik van nanodeeltjes hangen.[63]
11.2 Risico’s van het gebruik van nanotechnologie Als men het heeft over de risico’s van nanodeeltjes, waar heeft men het dan voornamelijk over? Dit weet eigenlijk vrijwel niemand en dat is juist het probleem! Er is namelijk nog vrij weinig bekend over het gedrag van nanodeeltjes. Het risico van het gebruik van nanotechnologie is dus eigenlijk dat men niet weet welke invloed de nanodeeltjes hebben op mens en milieu. Omdat er verder nog geen speciale regels zijn opgesteld over het gebruik van nanotechnologie in bijvoorbeeld alledaagse producten zoals tandpasta, koffiemelkpoeder, sokken en crèmes, kan men overal onbewust in contact komen met de nanodeeltjes. Dit is dus best een risico te noemen.[63]
63
De discussie over het toepassen van nanotechnologie in het dagelijks leven is eigenlijk pas echt opgelaaid, toen er uit sommige onderzoeken bleek dat nanodeeltjes schadelijk kunnen zijn voor de gezondheid van de mens. Inname van grote hoeveelheden titaandioxide kan bij proefdieren leiden tot ontstekingsreacties en zelfs tot de ziekte kanker. De minieme deeltjes zouden onder bepaalde omstandigheden namelijk wel eens door de huid heen kunnen dringen. Om conclusies te kunnen trekken voor de mens is echter meer onderzoek nodig.[63] Nanodeeltjes zilver, die zweetluchtjes in bijvoorbeeld sokken en andere kleding tegengaan, blijken ook minder onschuldig dan ze lijken. De deeltjes blijken namelijk na een aantal keer wassen uit het textiel te ontsnappen waardoor ze via het afvalwater het riool en zo ons milieu in kunnen komen. De zilvernanodeeltjes zijn door hun anti-bacteriële werking giftig voor bacteriën, schimmels en andere micro-organismen in water en in de bodem. Men weet niet wat er zou gebeuren wanneer deze allen zouden verdwijnen onder invloed van de nanodeeltjes zilver. Ook zou nanozilver in het milieu kunnen leiden tot resistentie van allerlei bacteriën, schimmels en micro-organismen tegen de deeltjes, waardoor het nanozilver niet meer toegepast kan worden in desinfecterende middelen in de medische industrie en sector. Later bleek dat nanozilver in ieder geval geen schadelijke effecten zou hebben voor onze waterzuiveringssystemen, die deels op bacteriën gebaseerd zijn. Het nanozilver zou namelijk reageren met zwavel tot onoplosbare brokken. Wat hier dan weer het gevaar van zou kunnen zijn, is (nog) niet bekend.[6] [63] Ook gouddeeltjes zouden volgens sommige onderzoeken schadelijk kunnen zijn voor de gezondheid van de mens, omdat deze deeltjes het DNA in cellen aan zou tasten, waardoor celprocessen en daardoor processen in het lichaam niet goed meer zouden (kunnen) verlopen.[40] Dan nog nanosilica, verwerkt als antiklontermiddel in sommige poeders en poedersoepen. Het rijksinstituut voor volksgezondheid en milieu (het RIVM) doet nog extra onderzoek naar het gevaar van deze deeltjes, omdat er nog vrijwel niets bekend is over het gevaar van deze deeltjes.[63] Al met al veel onzekerheid dus, het sleutelwoord wat betreft de risico’s van nanotechnologie. De vele onderzoeken naar de toxiciteit van nanodeeltjes spreken elkaar vaak ook erg tegen. In een artikel over toxiciteitsonderzoeken met koolstof nanobuisjes staan tientallen onderzoeken genoemd die duiden op toxiciteit en tientallen onderzoeken die dit niet doen.[bijlage 7] Vooralsnog lijkt het er gewoon op dat men om geen enkel risico te lopen, de nanodeeltjes gewoon niet moet innemen of opsmeren tot er meer duidelijkheid is over de giftigheid van nanodeeltjes.
11.3 Ethische bezwaren tegen nanotechnologie Naast de risico’s die aan het gebruik van nanotechnologie verbonden zijn, hebben sommigen ook ethische bezwaren tegen het gebruik van nanotechnologie. Nanotechnologie maakt namelijk heel veel nieuwe dingen mogelijk, maar daarbij is de vraag wel: mag alles wat kan? Over heel de wereld verspreid vinden experimenten plaats om een medicijn te ontwikkelen wat de levensduur en -kwaliteit van de mens zou kunnen ‘opschroeven’.[40] Maar kan dat wel zomaar? In theorie zou je dan dus ook een onsterfelijk mens kunnen maken. Is dit nog wel verantwoord? Als iedereen zichzelf maar onsterfelijk zou maken, zou de wereld op den duur overvol raken. Buiten dat geeft onsterfelijkheid een mens een bepaalde status waar door menigeen misbruik van gemaakt zou kunnen worden. Zou het leven bovendien ook niet gewoon een einde moeten hebben en zou men het leven niet gewoon als een geschenk moeten zien? Dit zijn vragen die veel discussie kunnen veroorzaken binnen de maatschappij. Er zijn ook wetenschappers die met hun onderzoek hebben aangetoond dat clusters van verwarmde, magnetische nanodeeltjes, die gericht zijn op celmembranen, op afstand ionenkanalen, neuronen en zelfs (dierlijk) gedrag kunnen controleren! Als deze techniek uitontwikkeld zou worden, wie weet op welke vreselijke manieren hier misbruik van gemaakt zou kunnen worden. Ontvoeren, gijzelen en controleren van wereldleiders en daarmee de wereld zou hierdoor heel gemakkelijk worden. Ook aanslagen zouden makkelijker gepleegd kunnen worden door terroristen. Dit soort technieken zouden zeker niet in verkeerde handen mogen vallen! Nu is er nog niet eens gesproken
64
over nanorobots, die in theorie medische ingrepen of onderzoek zouden kunnen verrichten in het menselijk lichaam. Ook van deze uitvinding zou veel misbruik gemaakt kunnen worden.[40] Van al deze ontdekkingen zou men ook profijt kunnen hebben, maar de gevaren van misbruik van deze ontdekkingen wegen wel iets zwaarder ten opzichte van de (positieve) mogelijkheden met behulp van deze ontdekkingen. Deze afweging zal ook gemaakt moeten worden door wetenschappers en politici. Ook degenen die wij hebben geïnterviewd zijn het er allen over eens dat nanotechnologie zeker verder ontwikkeld moet worden, maar dat er voor verantwoord gebruik wel eerst nog veel onderzoek naar gedaan moet worden. Zo antwoordt Mevrouw I. Lommerse, medisch onderzoekster, op de vraag of zij bezwaren heeft tegen het gebruik van nanotechnologie: “Nee, mits alles goed uitgezocht wordt voordat er ‘trials’ gestart worden.” Er kleven dus wel degelijk risico’s aan het gebruik en de toepassing van nanotechnologie, maar daar is nagenoeg nog veel onduidelijkheid over. De ethische bezwaren tegen nanotechnologie zijn echter wat moeilijker weg te poetsen. Hierover zullen toch echt besluiten genomen moeten worden in de politiek, in samenwerking met wetenschappers. Het is natuurlijk wel zo dat wanneer iemand echt kwade bedoelingen heeft, alles gevaarlijk kan zijn voor de maatschappij.
65
12. Wat hebben de overheid en de politiek met (onderzoek aan) nanotechnologie te maken? De Nederlandse regering investeert flink in nanotechnologie, omdat zij kansen ziet op de markt voor nanotechnologie. De regering ziet dus naast technologische voordelen ook economische voordelen van nanotechnologie. Met behulp van nanotechnologie kan men nieuwe en verbeterde producten op de markt brengen. Dit kan variëren van zonnecrèmes tot medicijnen en sensoren om chemische wapens op te sporen. Om gebruik en onderzoek naar nanotechnologie te stimuleren, moet er natuurlijk ook wel wat kennis onder de bevolking zijn over nanotechnologie. Hieruit blijkt al dat de overheid en de politiek ook erg betrokken zijn bij de ontwikkeling van nanotechnologie.
12.1 Kabinetsbeleid nanotechnologie Het kabinet is van mening dat ontwikkelingen op het gebied van nanotechnologie in evenwicht moeten zijn met de risico’s die kunnen optreden en streeft daarom naar een volledige ‘aanpak’ van het nanotechnologiebeleid. Hierbij wordt gekeken naar mogelijkheden om nanotechnologie toe te passen in de industrie en in het dagelijks leven, maar ook naar de eventuele schadelijkheid van de nog vrij onbekende nieuwe deeltjes. Verder wordt er ook gekeken naar een beleid om nanotechnologie bekender te maken onder de bevolking en de bevolking in te lichten over de mogelijkheden van nanotechnologie voor de toekomst en de eventuele risico’s die aan nanotechnologie verbonden zijn. Het ‘nanobeleid’ wordt dan ook aan de hand van drie punten toegelicht en aangepakt door het kabinet[25]:
Topsectoren, kansen en onderzoek Hierbij gaat het om onderzoek naar de toepassingen van nanotechnologie en de kansen die nanotechnologie kan bieden binnen de zogenaamde ‘topsectoren’ in ons land, zoals hightech, life sciences, chemie, maar ook energie en water (zie ook hoofdstuk 10, paragraaf 1).[25]
Omgaan met risico’s Bij dit punt gaat het om de eventuele schadelijkheid voor mens en milieu van nanodeeltjes en hoe deze het beste is te beperken.[25]
Maatschappelijke dialoog en communicatie Hierbij gaat het vooral om voorlichting over gebruik van en onderzoek naar nanotechnologie onder de bevolking of bij bedrijven, maar ook om de dialoog over of het verantwoord is om met nanotechnologie te werken en nanotechnologie toe te passen in het dagelijks leven.[25]
12.2 Financiering nanotechnologie Om het beleidsplan van het kabinet ook echt uit te voeren is geld nodig. De regering en de Nederlandse overheid investeren dan ook behoorlijk op financieel gebied in nanotechnologie. In totaal bedroeg de publieke investering in ‘R&D-nanotechnologie’ € 150 miljoen in 2010. ‘R&Dnanotechnologie’ staat voor research and development of nanotechnology, het onderzoek naar en de ontwikkeling van nanotechnologie.[25] In figuur 55 is te zien hoeveel geld de regering en de Nederlandse overheid willen gaan besteden aan nanotechnologie in de periode van 2011 tot en met 2015.
Figuur 55 - financiering nanotechnologie Bron: AGNL (de financiering voor de periode 2011 tot en met 2015)
66
NanoNextNL is eigenlijk een samenwerkingsverband tussen het Nederlandse bedrijfsleven en vele Nederlandse zogenaamde ‘kennisinstellingen’ (universiteiten, universitair medisch centra en dergelijken). NanoNextNL richt zich vooral op onderzoek naar en toepassingen van nieuwe technologieën op het gebied van nanotechnologie, maar ook op het gebied van microtechnologie. Microtechnologie betreft het werken met microdeeltjes, deeltjes van enkele micrometers groot. Deze zijn dus groter dan nanodeeltjes. De organisatie richt zich op onderzoek en ontwikkeling van toepassingen van nanotechnologie op het gebied van energie, medicijnen, schoon water, voedsel, nano-electronica (dit wordt ook wel ‘Beyond Moore’ genoemd door NanonextNL), nanomaterialen, bionanotechnologie, nanofabricatie, sensoren en risico analyse & impact van nanotechnologie. NanoNextNL werkt binnen deze tien thema’s aan vele projecten over en met nanotechnologie. Bij onderzoek binnen het laatstgenoemde thema is ook het RIVM betrokken.[25] NWO “nano-call” betreft 21 fundamentele onderzoeken over nanotechnologie. In 2010 is er namelijk een soort oproep gedaan aan wetenschappelijk Nederland om te vragen naar onderzoeksvoorstellen voor nanotechnologie. Uit alle reacties zijn de 21 beste voorstellen in uitvoering gebracht. De overheid financiert deze onderzoeken om het meer fundamentele onderzoek van SRA nanotechnologie te financieren.[25] NanoLabNL is eigenlijk een verzamelnaam voor alle ‘nanolaboratoria’ in Nederland, waarvan er vier zijn: in Delft, Eindhoven, Groningen en Twente. NanoLabNL biedt alle onderzoeksfaciliteiten voor de onderzoeken van SRA nanotechnologie (zie ook hoofdstuk 12, paragraaf 4). De financiering van NanoLabNL is dus indirect ook de financiering van NWO “nano-call”.[25] De subsidies voor innovatie lijken overigens ook echt helpen om ideeën met nanotechnologie op de markt op de markt te brengen. Dit blijkt uit een onderzoek van het financieel dagblad. Van vijf gesubsidieerde projecten op het gebied van nanotechnologie, zijn er bijvoorbeeld drie succesvol gebleken.[64]
12.3 Wet en regelgeving nanotechnologie De overheid streeft naar verantwoordelijk gebruik van nanotechnologie. Zij streeft dus naar het gebruik van nanodeeltjes met geen of slechts verwaarloosbare risico’s voor mens en milieu. Ook wordt door de overheid gekeken naar kosten en regelingen die samenhangen met eventuele risico’s.[25] De samenleving moet ook goed weten wat het toepassen en gebruik van nanodeeltjes inhoudt. In 2011 waren er echter nog geen duidelijke regels voor nanotechnologie in Nederland. Arthur ten Wolde, senior consultant bij het IMSA Amsterdam (een zogenaamde ‘denktank’, die ideeën bedenkt) en Sijas Akkerman, verbonden aan stichting Natuur & Milieu, zeggen dan ook in een artikel in het NRC Handelsblad uit 2011: “De deeltjes worden overal toegepast, terwijl de risico’s nog lang niet duidelijk zijn. Nederland moet snel in Europees verband regels opstellen.”[61] Om verantwoordelijk gebruik van nanotechnologie mogelijk te maken en te waarborgen is dus een nauwe samenwerking tussen wetenschap, bedrijfsleven, overheid en maatschappelijke organisaties in binnen- en buitenland nodig. Het huidige kabinet is dan ook hard bezig met internationale regels over gebruik van nanotechnologie. Het kabinet is dus van mening dat veilig omgaan met nanodeeltjes het beste tot zijn recht komt als er internationale overeenstemming is over de risico’s van deze materialen en de wijze waarop die geanalyseerd en ‘beheerst’ dienen te worden.[35] Bij het opstellen van regels over het gebruik van nanotechnologie is het natuurlijk wel belangrijk om in te spelen op de kansen die nanotechnologie biedt. Tegelijkertijd moeten grote ‘incidenten’ met nanotechnologie voorkomen worden, zoals deze hebben plaatsgevonden door onverantwoord gebruik met bijvoorbeeld asbest. In Nederland is er nog geen specifieke wetgeving wat betreft nanodeeltjes. De deeltjes vallen, net als alle andere chemische stoffen, onder de ‘algemene’ wet- en regelgeving over chemische stoffen. Met behulp van het ‘actieplan nanotechnologie’ van het kabinet, wil men eerst meer kennis vergaren over nanodeeltjes. De Nederlandse overheid ziet op grond van de huidige kennis over
67
nanotechnologie nog geen reden om speciale maatregelen te treffen om toepassing van nanotechnologie te beperken of om deze te verbieden.[35] Als na onderzoek anders blijkt, zal het kabinet waarschijnlijk wel maatregelen gaan treffen met betrekking tot de nanodeeltjes. Europa is wel al bezig met het opstellen van speciale regels over (gebruik van) nanotechnologie. De Europese wet- en regelgeving over nanoproducten, ‘REACH’ (dit staat voor registratie, evaluatie en autorisatie van chemische stoffen), laat nog echter één tot 3 jaar op zich wachten. Hierin zullen nanodeeltjes apart worden ‘behandeld’, door de bijzondere eigenschappen die nanodeeltjes hebben door hun formaat en de andere invloed die zij hebben op mens en milieu. Tot die tijd is er eigenlijk vrij weinig duidelijk over de veiligheid voor de consument van nanoproducten die nu op de markt zijn. Door de milieucommissie in het Europees parlement zijn al wel nieuwe etiketteringsregels voor voedingsmiddelen (met nanodeeltjes) opgesteld. Op etiketten moet vanaf 2013, wanneer de regels waarschijnlijk van kracht kunnen worden, vermeld staan of er nanodeeltjes in een product verwerkt zitten. In 2013 gaat er ook een nieuwe ‘cosmtica verordening’ gelden waarin regels staan rond de informatievoorziening aan consumenten over nanodeeltjes in producten. Denk hierbij aan het noemen van nanomaterialen op de ingrediëntenlijst, het noemen van specifieke informatie over het nanomateriaal en meer.[34] In Australië, Canada en in de Verenigde Staten zijn al wel protocollen opgesteld en in gebruik genomen over (het gebruik van) nanotechnologie. Dit is echter nog niet altijd met succes gepaard gegaan, door onder andere slechte naleving van de regels waar men zich (vaak) vrijwillig aan kan houden.[35]
12.4 Stichtingen, organisaties en instituten Er zijn verschillende soorten stichtingen, organisaties en instituten die de ontwikkeling op het gebied van nanotechnologie stimuleren en in kaart brengen in Nederland. Je hebt bijvoorbeeld het Rathenau Instituut, Nanopodium, NanoNED, NanolabNL, WBSO, ENIAC (internationaal project) en MicroNed (zie ook hoofdstuk 12, paragraaf 2).[25] Eind 2007 is door NanoNED, FOM en STW (Nationaal Nano Initiatief) op verzoek van het kabinet de Strategic Research Agenda (SRA) nanotechnologie opgesteld. Deze onderzoeksagenda is een belangrijk onderdeel geworden van het programma NanoNextNL (zie ook de paragraaf 1 van dit hoofdstuk) dat in 2011 van start is gegaan. NanoNextNL heeft een looptijd van 2011 tot en met 2015.[25]
12.5 Nanotechnologie en de maatschappij Het huidige kabinet vindt dat de samenleving helder moet worden geïnformeerd over de kansen en risico’s bij het gebruik van nanotechnologie en nanodeeltjes in onder andere diverse producten. Het kabinet ziet zichzelf dan ook als verantwoordelijk voor het verspreiden van informatie over nanotechnologie onder de bevolking en doet dit bijvoorbeeld via de rijksoverheidsite. [25] Op de site staan diverse informatiekanalen met informatie over de kansen en risico’s van nanotechnologie en nanodeeltjes. Het RIVM en de nVWA (nieuwe Voedsel en Warenautoriteit) communiceren over actuele onderwerpen, zoals ‘doorbraken’ binnen nanotechnologie. Deze informatie is voornamelijk gericht op onderzoekers, professionals en beleidsmakers. De website van kennislink heeft ook een apart deel over informatie over nanotechnologie. Deze site is vooral gericht op scholieren.[27] Het Rathenau Instituut heeft onlangs een website gelanceerd over nanotechnologie. Op deze site wordt ingegaan op veelgestelde vragen en wordt er de actuele informatie weergegeven.[14] Er wordt dus veel informatie over (het gebruik van) nanotechnologie verspreid via internet. De arbeidsinspectie heeft echter ook een brochure gemaakt, die bedrijven informeert over de arbeidsrisico’s bij het werken met nanodeeltjes. Het TNO werkt aan de vorming van een ‘Nanonetwerk bedrijven’ waarbij de bedrijven onderling kennis kunnen uitwisselen over het veilig werken en nanodeeltjes.[61]
68
Het kabinet richt zich in het onderwijs vooral op de onderbouw van het voortgezet onderwijs om kennis over nanotechnologie te verspreiden. Het kabinet heeft dan ook kerndoelen geformuleerd, die de wettelijke basis bieden voor inhoudelijke eisen aan het onderwijsprogramma op het gebied van mens en natuur. Nanotechnologie is nu dus ook een onderdeel van dit onderwijsprogramma. De scholen hebben echter de vrije keuze om te bepalen van welke leermiddelen gebruik wordt gemaakt en welke thema’s omtrent nanotechnologie daarbij aan bod komen.[25] De overheid heeft ook zogenaamde ‘pilotprojecten’ opgesteld om bestaande kennis over de risico’s van naotechnologie te delen en bij elkaar te brengen. Dit wordt gedaan om de nanomaterialen te kunnen beoordelen en reguleren, zodat men een beter inzicht krijgt in de risico’s rondom de nanotechnologie.[62] Een aantal lopende pilotprojecten zijn:
De verfbranche Hier wordt gekeken naar op welke momenten mens en milieu blootgesteld mogen worden aan nanodeeltjes.[62]
De cosmeticabranche Hier wordt kritisch gekeken naar het gebruik van vooral nanotitaandioxide (groot gebruik van de nanodeeltjes in cosmetica).[62]
‘Vraagbaak voor MKB-werkgevers’ Dit is een project dat ondersteuning geeft aan praktische vragen over het veilig omgaan met nanodeeltjes.[62]
Samenwerking tussen bedrijven en het RIVM Dit om onderzoeken, technische dossiers en toepassingen van nanotechnologie zo volledig mogelijk weer te geven.[62]
De overheid streeft er naar om de resultaten en opgedane ervaring aan de hand van deze pilotprojecten uiteindelijk op dagelijkse omgang met nanodeeltjes toe te passen. [62]
12.6 Nanotechnologie, Nederland en europa Nanotechnologie is één van de vijf door de Europese unie aangewezen sleuteltechnologieën voor onze toekomst. Volgens de Europese unie is nanotechnologie dus de sleutel tot andere nieuwe technologieën en ontwikkelingen. In het document ‘Preparing for our future: Developing a common strategy for key enabling technologies in the EU’ wordt dit uitgebreid toegelicht .[34] Internationale samenwerking is, zoals eerder genoemd, van groot belang voor onderzoek van nanotechnologie, daarom heeft de Europese commissie het zevende kader programma, ook wel KP7 genoemd, opgesteld. In dit programma is voor onderzoek naar nanotechnologie € 3,2 miljard beschikbaar gesteld (voor de periode van 2007 tot en met 2013). Er is de afgelopen drie jaar veel subsidie toegekend door de Europese unie aan Nederlandse ‘partijen’ voor nanotechnologie, jaarlijks circa € 21 miljoen. Nederland is hierdoor zeer succesvol in het KP7. In 2013 start de volgende fase van het E.U.-programma. Dan zullen de ontwikkelingen van nanotechnologie in de volgende sectoren aan bod komen: ‘nanotechnology’, ‘micro- en nano electronics’, ‘photonics’, ‘advanced materials’, ‘advanced manufacturing systems’ en ‘industrial biotechnology’. De eerste vijf hiervan zijn basiselementen van de topsector ‘hightech’.[34] De overheid heeft dus op verschillende manieren te maken met nanotechnologie. De overheid speelt namelijk een sleutelrol in de stimulering en financiering van het gebruik en toepassen van nanotechnologie. Verder speelt de overheid ook een grote rol in het mogelijk maken van
69
verantwoord gebruik en toepassing van nanotechnologie. De regering en de overheid samen moeten goed kijken naar het opstellen van regels voor het gebruik en toepassen van nanotechnologie om eventuele risico’s in te perken. Het beste zou zijn als er internationale regels worden opgesteld in samenwerking met bijvoorbeeld de Europese unie. Hier wordt op dit moment nog hard aan gewerkt. De overheid speelt ook een grote rol in het verspreiden van (kloppende) informatie over nanotechnologie en verantwoord gebruik hiervan via onderwijs, brochures of internet.
70
13. Waarom juist het stimuleren van middelbare scholieren en wat weten middelbare scholieren op dit moment van nanotechnologie af? Juist middelbare scholieren zouden geschoold moeten worden op het gebied van nanotechnologie. Dit omdat zij in de toekomst nanotechnologie verder en zo mogelijk uit moeten gaan ontwikkelen in de toekomst. Hoe meer de scholieren basiskennis over nanotechnologie hebben, hoe meer voortgang er dan zal komen in het verdere onderzoek van nanotechnologie en de risico’s die hier aan verbonden zijn in de toekomst. Nanotechnologie zal dan meer naambekendheid krijgen en hoe meer bekendheid, hoe meer mensen er misschien interesse in krijgen en zo willen gaan helpen met onderzoeken en dergelijke.
13.1 Enquête Wij hebben een enquête gehouden bij in totaal 57 4-VWO’ers in een maatschappij- en een natuurklas op College Hageveld. Leerlingen uit een ‘natuur-klas’ volgen voornamelijk exacte vakken zoals natuurkunde, scheikunde, biologie, informatica en wiskunde B. Leerlingen uit een ‘maatschappij-klas’ volgen vooral vakken zoals geschiedenis, economie, filosofie en kunst. De enquête en de resultaten in tabellen zijn te vinden in de bijlage. In figuur 56 is te zien wat de leerlingen hebben geantwoord op de vraag of ze iets van nanotechnologie afweten. Het valt (vooral) op dat de meisjes uit de natuur-stroom klassen, die ‘bèta vakken’ volgen, juiste niets zeggen te weten over nanotechnologie. Slechts 3,5 procent, van alle ondervraagden denkt veel te weten over nanotechnologie.[bijlage 4]
14 12 10
1: niets
8
2: niets tot weinig
6
3: weinig
4
4: weinig tot veel
2
5: veel
0 Jongens natuur
Jongens maats.
Meisjes natuur
Meisjes maats.
Figuur 56 - wat weet je over nanotechnologie? (vraag 5)
Wij zijn er bij het maken van onze enquête vanuit gegaan dat de mate waarin men iets van dingen weet, door iedereen anders beoordeeld wordt. Daarom hebben wij de leerlingen ook een ‘controlevraag’ voorgelegd: ‘Wat is nanotechnologie?’. Bij deze meerkeuzevraag konden de leerlingen kiezen uit vier antwoorden, waarvan slechts een antwoord juist was. In figuur 57, 58 en 59 is te zien of de leerlingen het juiste antwoord hebben gegeven. 21 Procent van alle ondervraagden had deze ‘controlevraag’ goed beantwoord. Dit is meer dan het percentage dat weinig tot veel (0 procent) of veel (3,5 procent) zegt te weten over nanotechnologie. Het is opvallend dat de jongens en de meisjes uit de maatschappij-stroom de vraag vaker goed hebben beantwoord dan de jongens en meisjes uit de natuur-stroom (te zien in figuur 57 en 58). Hier is echter wel een verklaring voor. De maatschappij-klas had namelijk onverhoopt al een introductieles over nanotechnologie gehad en de natuur-klas nog niet, bij het invullen van deze
71
enquête. De resultaten van de natuur-leerlingen en die van de maatschappij-leerlingen mogen dus eigenlijk niet met elkaar vergeleken worden. Toch is het welgeruststellend om te zien dat slechts één introductieles er al voor kan zorgen dat het percentage leerlingen dat weet wat nanotechnologie al met 24,6 procent stijgt. In theorie zou zelfs een workshop of een kleine presentatie over nanotechnologie dus al kunnen helpen bij het uit de wereld helpen van de onwetendheid over nanotechnologie. 16 14 12 10 8
Goed
6
Fout
4 2 0 Jn
Jm
Mn
Mm
Figuur 57 - wat is nanotechnologie? (vraag 6)
Natuur Goed
Fout
Maatschappij Goed
8%
Fout 32%
68%
92% Figuur 58 - vraag 6
Figuur 59 – vraag 6
Over het algemeen is het niet zo gek dat de vierdeklassers vrijwel niets van nanotechnologie af weten, omdat zij nog geen lessen hebben gekregen over nanotechnologie. Ook zijn de kerndoelen van de overheid (zie ook hoofdstuk 12, paragraaf 5) pas een half jaar geleden opgesteld en nog lang niet uitgevoerd, waardoor ‘nanotechnologie’ zeker nog geen vast onderdeel in het lesprogramma van middelbare scholieren is.
15 10
Ja Nee
5 0
Jn
Jm
Mn
Mm
Figuur 60 – Lijkt het je interessant/leuk om wat over nanotechnologie te leren? (vraag 4)
72
In figuur 60 is te zien dat de jongens van de natuur-klas het leuk en interessant vinden om meer over nanotechnologie te leren. Er is ook te zien dat de meisjes minder interesse hebben voor het leren over nanotechnologie. Dit is wel jammer, want dit zou kunnen betekenen dat er later ook weinig scholieren zullen zijn die verder zullen gaan werken in de nanotechnologie.
73
14. Welk lesmateriaal over nanotechnologie is er op dit moment voor middelbare scholieren beschikbaar en zou dit beter kunnen? Er worden al steeds meer soorten lesmateriaal over nanotechnologie ontwikkeld voor middelbare scholieren. Zo is er bijvoorbeeld een lespakket online, ‘Mijn nano toekomst’, beschikbaar voor scholieren, gericht op de bovenbouw van de HAVO en het VWO. Dit lespakket neemt twaalf lesuren in beslag en laat de leerlingen kennismaken met de verschillende toepassingsmogelijkheden van nanotechnologie.[41] Ook bestaat er een project genaamd ‘Mag wat kan?’, dat vooral de maatschappelijke dialoog rond nanotechnologie belicht. Vanuit een filosofisch oogpunt wordt in dit project ingegaan op de ethische en maatschappelijke aspecten van nanotechnologie.[42] Door nanopodium, een organisatie die streeft naar meer bekendheid van nanotechnologie, is ook een educatieve site, ‘nanosociety’, voor leerlingen en docenten gelanceerd. Op deze site is informatie en lesmateriaal te vinden over de kansen, maar ook over de risico’s van nanotechnologie.[43] De site is echter vooral bedoeld als verzamelplaats voor kennis over nanotechnologie, zoals ook andere sites zoals kennislink, de site van ‘schooltv’ en de site van nanopodium. Die laatste site, belicht vooral de maatschappelijke dialoog rond nanotechnologie.[27] [43] Het is opvallend dat er vooral veel digitaal lesmateriaal beschikbaar is. Dit lesmateriaal bestaat echter veelal uit heel veel informatie over de natuurwetenschappelijke en maatschappelijke aspecten van nanotechnologie en bevat weinig echte opdrachten over nanotechnologie bij de lesstof.
14.1 (Schriftelijke) module nanotechnologie Via College Hageveld hebben wij ook een schriftelijke module over nanotechnologie in kunnen zien. Deze module wordt op college Hageveld gebruikt voor lessen algemene natuurwetenschappen in de vierde klas van het VWO. Ook in deze module is geprobeerd zowel de natuurwetenschappelijke als de maatschappelijke kant van nanotechnologie te belichten. Toch wordt er meer aandacht besteed aan het natuurwetenschappelijke aspect van nanotechnologie.[6] Volgens ons gaat de stof, voor vierdeklassers, vrij diep op de nanotechnologie in.[6] Er is echter wel wat schei- en natuurkundige kennis nodig om alles wat in de module staat te kunnen begrijpen. Dit zou een probleem kunnen vormen voor de maatschappij-leerlingen onder de vierdeklassers, die in hun vakkenpakket nauwelijks of geen bètavakken hebben. Wij vinden het echter wel goed dat de beide aspecten van nanotechnologie in de module aan bod komen. Maatschappij-leerlingen kunnen hun ‘bèta-kennis’ zo toch wat uitbreiden en de natuurleerlingen leren ook te kijken naar nanotechnologie vanuit een maatschappelijk oogpunt. Verder staan in de module veel opdrachten die aansluiten bij de te lezen tekst, maar ook wat vrijere of creatievere opdrachten zoals het zelf schrijven van een artikel over nanotechnologie. Ook zijn er aan de module wat experimenten met nanodeeltjes en educatieve spellen gekoppeld.[6] Die spellen zijn een erg leuke manier om de leerlingen met nanotechnologie in aanraking te laten komen! Geïnterviewde, Meneer W. Buijs, deeltijdhoogleraar Toepassing Molecular Modeling en Duurzame Procesontwikkeling TU Delft, is echter van mening dat opname van het onderwerp ‘nanotechnologie’ in lessen alleen kan bij bèta-vakken. Hij zegt dan ook: “Goede voorlichting is altijd welkom met de nadruk op goede. Voor de bevolking moeten er eenvoudige classificaties van nuttig toepassingsgebied en/of gevaren komen, voor scholieren (HAVO/VWO) heeft alleen opname in de bovenbouw van de beta-vakken zin omdat ze eerst moeten leren hoe je eigenschappen kan verklaren vanuit moleculaire danwel materiaalgegevens, voordat je echte nanotechnologie gaat behandelen.” Wij zijn echter van mening dat het onderwerp ‘nanotechnologie’ ook opgenomen moet worden in alfa-vakken zoals filosofie en economie. Het maatschappelijke aspect van nanotechnologie is namelijk ook belangrijk!
74
14.2 Nanotechnologie in het hoger onderwijs Ook in het hoger onderwijs zijn er steeds meer mogelijkheden wat betreft het volgen van vervolgopleidingen over nanotechnologie. Hogeschool Zuyd in Heerlen biedt binnen de opleiding ‘life sciences’ als eerste in Nederland de opleiding ‘nanotechnologie’. De opleiding is vooral gericht op de verschillende toepassingen van nanotechnologie in theorie en in de praktijk. Aan de hand van onderzoeken worden de voor- en nadelen van nanotechnologie onderzocht.[44] Ook op andere hogescholen is de opleiding nu te volgen. Ook studenten en docenten van het MBO worden gestimuleerd om informatie te verzamelen over nanotechnologie in samenwerking met HBO organisaties. Ook wordt er gekeken naar hoe het gebruik van nanomaterialen in bestaande onderwijsprogramma’s verwerkt kan worden en worden er verkennende onderzoeksactiviteiten uitgevoerd bij ondernemingen voor nanotechnologie.[44] Op universitair niveau blijft men natuurlijk ook niet achter wat betreft opleidingen over nanotechnologie. Op universiteiten in de buurt van de nanolaboratoria, denk hierbij aan de TU delft, de TU Eindhoven, en de TU Twente, zijn master-opleidingen in nanotechnologie te volgen na het volgen van bijvoorbeeld een bachelor scheikunde of scheikundige technologie. In Delft kan men echter ook met ingang van het studiejaar 2012-2013 de bachelor opleiding ‘nanobiologie’ volgen. Deze opleiding betreft een relatief nieuw onderzoeksveld, namelijk dat op het grensvlak van de (nano)natuurkunde, biologie en het geneeskundig onderzoek. De opleiding wordt verzorgd door de TU Delft in samenwerking met het Erasmus medisch centrum. Deze opleiding is uniek in Nederland! In het buitenland zijn er al wat meer mogelijkheden op het gebied van studies over nanotechnologie.[46] Op dit moment is er voor middelbare scholieren dus vooral veel digitaal lesmateriaal over nanotechnologie beschikbaar. Wij hebben ook de enige module over nanotechnologie doorgekeken en zijn tot de conclusie gekomen dat zowel het digitale lesmateriaal als de schriftelijke module over nanotechnologie zowel de natuurwetenschappelijke als maatschappelijke aspecten van nanotechnologie goed aan bod komen. Vooral in de module zijn aan de tekst veel leuke en interessante opdrachten gekoppeld, die de leerlingen op veel verschillende manieren in aanraking brengen met nanotechnologie. Wij vinden wel dat één schriftelijke module over nanotechnologie erg weinig is. Ook is de stof die wordt behandeld in de module van een behoorlijk niveau, wat betekent dat de module eigenlijk alleen voor de bovenbouw van VWO en misschien ook die van HAVO gebruikt kan worden. Er zou dus meer schriftelijk lesmateriaal voor middelbare scholieren ontwikkeld moeten worden, van verschillende niveau’s, die ook beide aspecten van nanotechnologie behandelen. Het digitale lesmateriaal zou bovendien wat meer toepassingsopdrachten van de lesstof mogen hebben.
75
15.
Conclusie
In het literatuuronderzoek was onze hoofdvraag: ‘waarom is het voorlichten van middelbare scholieren over nanotechnologie belangrijk en hoe kan dit worden verbeterd?’ Deze vraag kunnen wij beantwoorden met behulp van het beantwoorden van onze deelvragen:
Hoe kan nanotechnologie toegepast worden en is dit het stimuleren waard? Wat zijn de bezwaren tegen het gebruik en toepassen van nanotechnologie? Hoe hebben de overheid en de politiek te maken met (onderzoek aan) nanotechnologie? Waarom juist het stimuleren van middelbare scholieren en wat weten middelbare scholieren op dit moment van nanotechnologie af? Welk lesmateriaal over nanotechnologie is er op dit moment voor middelbare scholieren beschikbaar en wat zou hieraan verbeterd kunnen worden?
Wij zijn er door ons literatuuronderzoek achter gekomen dat nanotechnologie in veel verschillende topsectoren zoals ‘hightech’, ‘chemie’, ‘life sciences’, ‘energie’ en ‘water’ toegepast kan worden. Nanotechnologie biedt ook veel nieuwe mogelijkheden op de netgenoemde gebieden. Met behulp van nanotechnologie kunnen echter ook grote wereldwijde problemen zoals milieuvervuiling, dodelijke ziektes of moeder- en kindersterfte verholpen of verminderd worden. Ook kan nanotechnologie een gunstig effect hebben op de economie door het creëren van nieuwe banen en carrières, maar ook door verkoop van bijvoorbeeld nanotechnologische producten. Al deze redenen maken nanotechnologie zeker het stimuleren en ontwikkelen waard! Tegen het gebruik van nanotechnologie zijn ook bezwaren. Zo is er nog vrij weinig bekend over de invloed van nanodeeltjes op mens en milieu. Het is daarom niet erg verantwoord om de deeltjes nu al in allerlei producten en dergelijke te verwerken. Ook zijn er ethische bezwaren tegen het gerbuik van nanotechnologie. Nanotechnologie kan namelijk op een hele positieve manier toegepast en gebruikt worden, maar ook op een hele negatieve manier. Denk hierbij aan het ontwikkelen van gevaarlijke wapens met nanotechnologie. Ook zou men misschien zelfs een onsterfelijk mens kunnen creëren. Bij dit soort ontdekkingen moet er op een gegeven moment toch een grens getrokken worden tussen wat kan en mag binnen de wetenschap. Zolang er maar genoeg onderzoek wordt gedaan naar de risico’s van nanotechnologie, zijn deze echter goed in te perken met behulp van een goede regelgeving. Regels kunnen ook de ethische bezwaren tegen nanotechnologie doen verdwijnen. Ook is het zo dat wanneer iemand kwade bedoelingen met iets heeft, alles een bedreiging voor de samenleving kan vormen. De Nederlandse overheid wil nanotechnologie graag stimuleren vanwege de kansen die nanotechnologie biedt op wetenschappelijk, economisch en maatschappelijk gebied. Zij investeert op financieel gebied dan ook flink in onderzoek naar nanotechnologie en de toepassing ervan op een verantwoorde manier. Ook moeten er door de regering, in samenwerking met bijvoorbeeld de Europese unie, regels voor het gebruik en toepassen van nanotechnologie opgesteld worden. De overheid speelt verder ook nog een rol in de communicatie tussen de wetenschap en de bevolking over nanotechnologie. Denk hierbij vooral aan opleidingen en scholing over nanotechnologie. Juist middelbare scholieren zouden goed geschoold moeten worden over nanotechnologie, omdat zij in de toekomst zouden moeten gaan werken aan het uitontwikkelen van de nanotechnologie. Zij zijn namelijk de wetenschappers en politici van de toekomst! Uit onze enquête is echter gebleken dat leerlingen uit 4 VWO nog weinig weten over nanotechnologie. Er is op dit moment vooral veel digitaal lesmateriaal over nanotechnologie beschikbaar voor middelbare scholieren. Dit en het weinige schriftelijke lesmateriaal wat beschikbaar is over nanotechnologie belichten wel zowel de natuurwetenschappelijke als de maatschappelijke kant van nanotechnologie op een leuke en educatieve manier. De informatie in de schriftelijke module over nanotechnologie is echter wel van vrij pittig niveau. Er zou dus meer (schriftelijk) lesmateriaal over nanotechnologie ontwikkeld moeten worden voor scholieren van verschillende niveau’s.
76
Wij zijn hiermee tot de conclusie gekomen dat het voorlichten van middelbare scholieren over nanotechnologie belangrijk is, omdat nanotechnologie in de toekomst tot op zekere hoogte verder ontwikkeld moet worden, ondanks de bezwaren tegen nanotechnologie. Dit zouden de dan volwassen, middelbare scholieren van nu moeten gaan doen, waardoor het belangrijk is dat zij nu al over nanotechnologie gaan leren. Wat er nu aan voorlichting en lesmateriaal voor middelbare scholieren over nanotechnologie beschikbaar is, is echter niet voldoende. Om de middelbare scholieren echt goed voor te bereiden op het ‘nanotijdperk’ is meer (schriftelijk) lesmateriaal nodig van verschillende niveau’s. het digitale lesmateriaal mag meer voorzien worden van educatieve opdrachten. Onze hypothese klopt dus deels. De reden waarom het belangrijk is om middelbare scholieren voor te lichten over nanotechnologie hadden wij goed ingeschat. Wij hadden echter niet verwacht dat er al zoveel digitaal lesmateriaal over nanotechnologie beschikbaar zou zijn. Dit geldt echter alleen voor het digitale lesmateriaal, want schriftelijk lesmateriaal, daarvan is de hoeveelheid nog vrij beperkt. Het lesmateriaal dat er is, is volgens ons ook van behoorlijk goede kwaliteit, door de diepgang en belichting van zo veel mogelijk aspecten van nanotechnologie in het lesmateriaal. Er is alleen weinig differentiatie in niveau wat betreft het lesmateriaal.
77
16.
Discussie
Omdat nanotechnologie op dit moment sterk in ontwikkeling is, wordt er door de overheid al hard gewerkt aan meer voorlichting en educatie over nanotechnologie bij (middelbare) scholieren. Alle voorgestelde plannen hebben echter nog tijd nodig om van kracht te worden, dus het onderwijs van nanotechnologie zal in de loop der jaren sowieso verder ontwikkeld en verbeterd worden. Bij onze enquête waren de ‘kandidaten’ niet gelijk geschoold wat betreft nanotechnologie (de maatschappij-leerlingen hadden een introductieles gehad voor het maken van de enquête en de natuur-leerlingen niet), waardoor we de twee ondervraagde klassen jammer genoeg niet ‘eerlijk’ met elkaar konden vergelijken. Dan hadden we een beter beeld gekregen van of er een verschil is tussen de kennis van maatschappij-leerlingen en natuur-leerlingen over nanotechnologie. Daarop hadden we de suggesties voor het verbeteren van lesmateriaal voor middelbare scholieren over nanotechnologie beter kunnen laten aansluiten. Ook hadden we onze enquête beter op verschillende scholen af kunnen nemen, omdat het lesprogramma er op iedere school vaak anders uitziet. Dit had voor het onderzoek een betrouwbaarder resultaat opgeleverd.
16.1 Mogelijkheden voor vervolgonderzoek Over de risico’s van nanotechnologie zal in de toekomst veel meer bekend zijn. Tot die tijd zal onze kennis over (de risico’s van) gebruik en toepassing van nanotechnologie alleen maar toenemen, dankzij vele onderzoeken. De afweging of nanotechnologie overal toegepast mag worden, zal dus steeds opnieuw gemaakt moeten worden. Nu wordt vooral gefocust op de eventuele mogelijkheden die nanotechnologie biedt, maar misschien wegen de risico’s van nanotechnologie in de toekomst wel zwaarder dan de mogelijkheden. Wanneer men dit literatuuronderzoek over een of twee jaar nog eens zal uitvoeren, zou er dus een heel ander resultaat uit kunnen komen dan nu, mede door de opgedane kennis over nanotechnologie en de ontwikkeling van de scholing over nanotechnologie. Ook de enquête zou om de zoveel jaar opnieuw afgenomen kunnen worden om te kijken of middelbare scholieren steeds meer basiskennis hebben over nanotechnologie in de vierde klas. Deze enquête zou dan dus wel op verschillende scholen afgenomen moeten worden om een betrouwbaar resultaat te krijgen. Verder zou ook om de zoveel jaar de kwantiteit en kwaliteit van het lesmateriaal over nanotechnologie voor middelbare scholieren beoordeeld moeten worden om te kijken of die verbeterd. Door vergelijken van de twee onderzoeksresultaten zou ook beoordeeld kunnen worden of de kennis van middelbare scholieren over nanotechnologie daadwerkelijk toeneemt door (hopelijk) betere kwantiteit en kwaliteit van het lesmateriaal. Er zou ook onderzocht kunnen worden of de (hopelijk) betere scholing van middelbare scholieren over nanotechnologie daadwerkelijk leidt tot meer, snellere en verdere ontwikkeling binnen de nanotechnologie. Met al deze gegevens zou de overheid en de regering het ‘nanobeleid’ goed kunnen evalueren en zo nodig kunnen aanpassen of verbeteren. Op deze manier zou men waarschijnlijk nog veel plezier kunnen beleven aan de toepassingen van nanotechnologie in de toekomst!
78
17.
Reflectie
Ingeborg Toen wij iets meer dan een jaar geleden bedachten om aan ons profielwerkstuk te beginnen, hoefden wij niet lang over het onderwerp na te denken. Christina en ik hadden beide een filmpje over nanotechnologie gezien en we vonden het zo interessant dat we er meer over wilden weten. Een jaar later is het profielwerkstuk dan eindelijk af en hebben wij veel geleerd van onze onderzoeken. Allereerst hebben we een onderzoek gedaan op de universiteit van Twente. Het regelen van dit onderzoek ging vrij gemakkelijk. Het leek ons handig om in de zomervakantie het onderzoek te doen, want hoe eerder je begint aan je profielwerkstuk, hoe minder stress dat geeft naar het einde toe. Ook zijn we eerder begonnen aan het profielwerkstuk, omdat Christina topsportster is en veel moet trainen. Daarom heeft zij aan het begin van het profielwerkstuk veel gedaan, omdat ze toen nog veel tijd had. Ik heb dan ook aan het laatste deel van het profielwerkstuk meer gedaan. Daarna besloten we om ook een literatuuronderzoek te doen. Dit om te kijken wat scholieren precies van nanotechnologie af weten. Dit bleek uiteindelijk zeer weinig tot helemaal niets te zijn en we hebben dan ook naar een oplossing gezocht om die onwetendheid aan te pakken. De samenwerking tussen Christina en mij is heel soepel verlopen. We konden elkaar aanvullen waar nodig en zijn op goede ideeën gekomen door regelmatige ‘brainstormsessies’. We hebben elkaar op een positieve manier gestimuleerd en naar eigen zeggen is het resultaat daar ook naar. Ik hoop dat we met beide onderzoeken een duidelijke weergave van zowel de natuurwetenschappelijke als maatschappelijke kant hebben kunnen geven. Er kunnen met behulp van dit profielwerkstuk nog vele vervolgonderzoeken gedaan worden. Ik hoop dat we dan ook een steentje hebben bijgedragen aan het onderzoek naar nanotechnologie, want één ding staat vast over nanotechnologie; onderzoek ernaar is zeer belangrijk! Christina Ondanks het vele werk, heb ik het maken van ons profielwerkstuk toch wel als leuk ervaren! Dit vooral omdat het onderwerp mij zo interesseert en de samenwerking met Ingeborg ook goed verliep. Ik wil misschien door het maken van dit profielwerkstuk zelfs iets in de richting van scheikundige technologie gaan studeren. Wat ik echter wel heb geleerd van het maken van dit profielwerkstuk is, dat je voor het bereiken van een nog beter resultaat, toch wat regelmatiger aan het profielwerkstuk moet werken. Vooral ik heb namelijk in sommige periodes heel hard en in andere periodes niet of nauwelijks aan het profielwerkstuk gewerkt, wat soms toch wel weer even voor wat ‘opstartproblemen’ zorgde. Deels is dit te wijten aan het feit dat ik het erg druk heb met school en mijn sport, maar ik had soms ook wel iets anders met mijn tijd om kunnen gaan. Hier heb ik dan ook van geleerd. Ook hebben Ingeborg en ik de hoeveelheid werk van het maken van het literatuuronderzoek ietwat onderschat. Uiteindelijk is alles goed gekomen, want het beide onderzoek zijn af en uitgewerkt. Toch werd het afwerken van het geheel naar het einde toe misschien toch een beetje een race tegen de klok. In het vervolg zullen wij dus allebei moeten leren alles wat ruimer te plannen. Strakke planningen kunnen werken, maar deze zijn wel erg ‘uitloopgevoelig’. Ook hadden we bijvoorbeeld de enquête voor het afnemen toch iets kritischer moeten bekijken om nog meer en betrouwbaardere informatie uit de verwerkte gegevens te kunnen halen. Zo zijn er nog wat meer dingen die anders hadden gekund door van te voren iets beter na te denken. Deze zijn opgenomen in de discussies van onze twee onderzoeken. Ik denk dat we het er allebei over eens zijn dat we weer een hele ervaring rijker zijn wat betreft ‘echt’ onderzoek doen, plannen en samenwerken door het maken van dit profielwerkstuk. Ik denk wel dat ik zo toch weer wat beter voorbereid mijn studententijd in ga!
79
18.
Samenvatting
In ons profielwerkstuk hebben wij geprobeerd het onderwerp nanotechnologie te benaderen op een natuurwetenschappelijke en op een maatschappelijke manier. Als natuurwetenschappelijke benadering van het onderwerp hebben wij laboratoriumonderzoek gedaan naar de toxiciteit van koolstof nanobuisjes. Als maatschappelijke benadering hebben we literatuuronderzoek gedaan naar waarom het voorlichten van middelbare scholieren over nanotechnologie belangrijk is en hoe dit kan worden verbeterd.
18.1 Laboratoriumonderzoek Wij hebben onderzoek gedaan naar de toxiciteit van koolstof nanobuisjes. Onze hoofdvraag was: ‘in hoeverre zijn koolstof nanobuisjes schadelijk voor de gezondheid van de mens?’ Deze hoofdvraag hebben wij beantwoord aan de hand van het beantwoorden van de volgende deelvragen:
Wordt het menselijk weefsel (vaatwandendotheel) aangetast door koolstof nanobuisjes? Zo ja: Hoe wordt het menselijk weefsel aangetast door de koolstof nanobuisjes? Bij welke concentratie koolstof nanobuisjes wordt het menselijk weefsel aangetast? Welk gevaar vormt de eventuele aantasting van het vaatwandendotheel voor de mens?
Na vaatwandendotheelcellen voor het menselijk weefsel bloot te stellen aan oplossingen met verschillende concentraties meerwandige koolstofnanobuisjes bleek dat het vaatwandendotheel (gebruikt als menselijk weefsel) aangetast wordt door de koolstofnanobuisjes. Uit het onderzoek is gebleken dat de vaatwandendotheelcellen, die met de oplossingen met een concentratie hoger dan 5,0∙100 µg/ml in aanraking zijn gekomen, aangetast zijn door celdood. Vanaf een concentratie kleiner dan 5,0∙10-2 µg/ml is zeker vast te stellen dat de vaatwandendotheelcellen niet aangetast worden door de MCNT-oplossing. De aantasting van het vaatwand endotheel is een kwalijke zaak. De aantasting zou namelijk uiteindelijk leiden tot aantasting van de bloedvaten, waardoor zuurstof, voedingsstoffen en afvalstoffen niet goed meer door het lichaam getransporteerd zouden kunnen worden. Koolstof nanobuisjes kunnen dus bij concentraties tussen de 5,0∙10-1 µg/ml en 5,0∙10-2 µg/ml schadelijk zijn voor de mens, doordat zij celdood kunnen veroorzaken. Dit kan leiden tot verdere schade aan het menselijk lichaam, met mogelijk de dood tot gevolg. Wij hebben onze hypothese, dat koolstof nanobuisjes niet schadelijk zijn voor de gezondheid, dan ook verworpen. De concentraties die in dit onderzoek gebruikt zijn liggen ver uit elkaar en er is dus ook vervolgonderzoek nodig om te bepalen bij welke concentraties de koolstof nanobuisjes schadelijk zijn en welk verband is tussen de concentratie koolstof nanobuisjes en de schadelijkheid (mate van celdood) voor menselijk weefsel. Zo kan hetzelfde onderzoek herhaald worden met concentraties die dichter bij elkaar liggen. Ook zou er geëxperimenteerd kunnen worden met andere weefsels of nanodeeltjes.
18.2 Literatuuronderzoek In het literatuuronderzoek was onze hoofdvraag: ‘waarom is het voorlichten van middelbare scholieren over nanotechnologie belangrijk en hoe kan dit worden verbeterd?’ Deze vraag hebben wij beantwoord aan de hand van het beantwoorden van de volgende deelvragen:
80
Hoe kan nanotechnologie toegepast worden en is dit het stimuleren waard? Wat zijn de bezwaren tegen het gebruik en toepassen van nanotechnologie? Hoe hebben de overheid en de politiek te maken met (onderzoek aan) nanotechnologie? Waarom juist het stimuleren van middelbare scholieren en wat weten middelbare scholieren op dit moment van nanotechnologie af?
Welk lesmateriaal over nanotechnologie is er op dit moment voor middelbare scholieren beschikbaar en wat zou hieraan verbeterd kunnen worden?
Wij hebben met behulp van afgenomen interviews en enquêtes, internet, boeken en andere bronnen geprobeerd deze vragen zo goed mogelijk te beantwoorden. Door bronnenonderzoek zijn wij erachter gekomen dat nanotechnologie in veel verschillende topsectoren zoals ‘hightech’, ‘chemie’, ‘life sciences’, energie en water toegepast kan worden. Met behulp van nanotechnologie kunnen veel technische snufjes gemaakt worden, maar ook grote wereldwijde problemen zoals milieuvervuiling, dodelijke ziektes of moeder- en kindersterfte zouden met nanotechnologische innovaties verholpen of verminderd kunnen worden. Ook kan nanotechnologie een gunstig effect hebben op de economie waardoor nanotechnologie echt het stimuleren waard is. Omdat er over de invloed van nanotechnologie op mens en milieu nog vrij weinig bekend is, zijn er bezwaren tegen (onverantwoord(e)) gebruik en toepassing ervan. Ook zijn er ethische bezwaren tegen gebruik en toepassing van nanotechnologie. Nanotechnologie kan namelijk ook op negatieve en gevaarlijke manier worden toegepast, zoals in hypermoderne wapens. Zolang er maar genoeg onderzoek wordt gedaan naar risico’s van nanotechnologie, zijn deze echter goed in te perken met behulp van een goede regelgeving. Regels kunnen ook de ethische bezwaren tegen nanotechnologie doen verhelpen. De overheid ziet in nanotechnologie veel kansen op economisch gebied, maar ook op het gebied van oplossen van wereldwijde problemen, zoals eerder genoemd. De overheid en de Nederlandse regering willen nanotechnologie dus graag stimuleren, evenals de Europese unie. Dit dan wel op een verantwoorde manier. De overheid verzorgt buiten de financiële steun aan nanotechnologie ook deels de communicatie en informatievoorziening wat betreft nanotechnologie. Juist middelbare scholieren zouden goed geschoold moeten worden over nanotechnologie, omdat zij in de toekomst moeten gaan werken aan het uitontwikkelen van de nanotechnologie. Uit onze enquête is echter gebleken dat leerlingen uit 4 VWO nog weinig weten over nanotechnologie. Ook is er nog weinig (schriftelijk) lesmateriaal voor middelbare scholieren beschikbaar over nanotechnologie en het lesmateriaal dat beschikbaar is, is nog niet uitontwikkeld. Wij zijn tot de conclusie gekomen dat het voorlichten van middelbare scholieren over nanotechnologie belangrijk is, omdat nanotechnologie in de toekomst tot op zekere hoogte verder ontwikkeld moet worden, ondanks de bezwaren tegen nanotechnologie. Dit zouden de dan volwassen, middelbare scholieren van nu moeten gaan doen, waardoor het belangrijk is dat zij nu al over nanotechnologie gaan leren. Wat er nu aan voorlichting en lesmateriaal voor middelbare scholieren over nanotechnologie beschikbaar is, is echter niet voldoende. Om de middelbare scholieren echt goed voor te bereiden op het ‘nanotijdperk’ is meer schriftelijk lesmateriaal nodig, met meer opdrachten bij de teksten over nanotechnologie, van verschillende niveau’s, om alle middelbare scholieren te kunnen scholen over nanotechnologie. Onze hypothese klopt dus deels. Er is al meer lesmateriaal dan wij dachten, maar de hoeveelheid en kwaliteit ervan kan nog sterk verbeterd worden!
81
19.
Summary
In our ‘profile project’ we have tried to approach both the scientific and the social ‘side’ of nanotechnology. We have done a laboratory research, to find out whether carbon nanotubes are harmful for human wellbeing. We also did a study based on literature, to find out why it is important to educate pupils in high school about nanotechnology and how this education could be improved in the future.
19.1 Laboratory research For our laboratory research, our main question was: ‘till which point will carbon nanotubes damage the human health?’ We tried to answer this question by answering the following questions:
Do carbon nanotubes damage the human tissue (vascular endothelium)? If so: How do carbon nanotubes damage the human tissue? At which concentration of carbon nanotubes is the human tissue damaged by the carbon nanotubes? What is the danger of the damage of the vascular endothelium for the human body?
After exposure of the vascular endothelium to different concentrations of carbon nanotubes, it had become clear that at concentrations of carbon nanotubes higher then 5,0∙10 µg/ml the vascular endothelium cells die. At a concentration of carbon nanotubes of 5,0∙1-2 µg/ml and lower, the vascular endothelium cells stayed alive. The damage of the vascular endothelium could be dangerous for other parts of the human body. This because the damage of the vascular endothelium eventually could cause damage to the veins of the human body, so for example the transportation of oxygen and nutrients thru the human body will be affected too. This could damage all parts of the human body. Because of this we can conclude that concentrations of carbon nanotubes between 5,0∙10-1 µg/ml and 5,0∙10-2 µg/ml are harmful for human health, because the carbon nanotubes kill vascular endothelium cells at those concentrations. This could lead to more damage to other parts of the human body, which could cause death at the end. We rejected our hypothesis, in which we said that carbon nanotubes would not be harmful for human health. However, the concentrations of carbon nanotubes we used for our research lay far from each other. It will be necessary to do more research on carbon nanotubes to secure at which concentration carbon nanotubes kill vascular endothelium cells. Our study could be repeated for that, but then with concentrations of carbon nanotubes that lay a little more near each other. There could also be used cells of other kinds of human tissue, than vascular endothelium or other nanoparticles for further researches.
19.2 Research based on literature In our second research, our main question was: ‘why is it important to educate pupils in high school about nanotechnology and could the education about nanotechnology for them be improved?’. We tried to answer this question by answering the following questions:
82
How can nanotechnology be used and applied, and is this worth stimulation? What are the objections of using and applying nanotechnology? What do the authorities and politics have to do with (research on) nanotechnology? Why is it important educate precisely students about nanotechnology and what do students now know about nanotechnology at this moment? Which learning methods about nanotechnology is available at the moment and could they be improved?
We have tried, by using information from interviews, surveys, internet and some books, to answer all those questions. We found out thru source study that nanotechnology could be used many ways, in ‘high-tech’, ‘chemistry’, ‘life sciences’, ‘energy’ and ‘water’. With nanotechnology we could also solve worldwide problems, like environmental pollution, deathly diseases or mother and child mortality could get solved by applying nanotechnology in the right way. This shows that it really is worth stimulating nanotechnology. Right now, it still is not clear whether nanotechnology has bad influences on humans and our environment. This causes objections against using and applying nanotechnology. There are also people who think that using and applying nanotechnology could be dangerous for our society, because it could stimulate the production of dangerous things like weapons. Nevertheless, we think that if all the ‘risks’ of nanotechnology are well researched, they could be restricted to the minimum by clear rules and acts about using en applying nanotechnology. The authorities and the government give financial support for research on nanotechnology, but the government also takes care of spreading information about nanotechnology among the society. Students need to know a lot of nanotechnology, because they will work with nanotechnology in the future. But our reviews show that students from the fourth form of grammar school are unknowing about nanotechnology. There also are less teaching methods for the students about nanotechnology and it is also incomplete. Precisely pupils in high school should be educated well about nanotechnology because they should develop nanotechnology in the future! Unfortunately, from our survey became clear that pupils in grammar school, around sixteen years old, know nothing or just a little bit about nanotechnology. There are also too few written learning methods for pupils in high school about nanotechnology. The written learning methods that already exist are, in our eyes, still not enough developed. Finally, we concluded that it is important to educate pupils in high school about nanotechnology, because they should develop nanotechnology in the future, despite the objections against nanotechnology. Nanotechnology is the future and so are they! To stimulate this, it is necessary that we develop more written learning methods about nanotechnology for pupils in high school, from different levels. This is the only way how we could educate all pupils in high school about nanotechnology. Thus, our hypothesis is partly correct. There are already more (digital) learning methods about nanotechnology available then we thought, but the quality and quantity of them could be strongly improved.
83
20.
Zusammenfassung
In unserer Arbeit haben wir sowohl die naturwissenschaftliche als soziale Seite von Nanotechnologie geprobiert zu beleuchten. Wir haben eine Laboratoriumforschung getan und in der Forschung haben wir die Toxizität von Kohlenstoffnanoröhren gemessen. Als Soziale Seite haben wir eine Literaturforschung gemacht über das aufklären von Studenten über Kohlenstoffnanoröhren und wie es verbessert werden könnte.
20.1 Laboratoriumforschung Wir haben eine Laboratoriumforschung getan und in der Forschung haben wir die Toxizität von Kohlenstoffnanoröhren gemessen. Unsere Hauptfrage ist: ‘In wie weit sind Kohlenstoffnanoröhren schädlich für die Gesundheit von des Mensch?’ Diese Frage haben wir beantwortet mit den folgenden Fragen:
Wird das menschlichen Gewebe von den Kohlenstoffnanoröhren angegriffen? Wenn ja: Wie wird das menschlichen Gewebe von den Kohlenstoffnanoröhren angegriffen? Bei welcher Konzentration Kohlenstoffnanoröhren wird das menslichen Gewebe angegriffen? Welchen Gefahren bilden die eventuellen Angriffe auf das menschlichen Gewebe für den Mensch?
Nachdem wir Kohlenstoffnanoröhren zugefügt haben an das menschlischen Gewebe, haben wir die Resultate angeschaut. Wir haben geschaut, ob das menschliche Gewebe von den Kohlenstoffnanoröhren angegriffen worden ist. Man kann sagen, dass wenn die Forscher Konzentrationen von weniger als 5,0∙10-2 µg/ml gebrauchen, das menschlichen Gewebe nicht angegriffen wurde. Wenn man Konzentrationen gröβer als 5,0∙100 µg/ml gebraucht, sterben die menschlichen Geweben ab. Bei gröβeren Konzentrationen kann das menschliche Gewebe auch durch die Substanz Triton x-100 absterben. Also, bei Konzentrationen zwischen 5,0∙10-1 µg/ml und 5,0∙10-2 µg/ml wurde das menschliche Gewebe angegriffen. Das Angreifen des menschlichen Gewebes ist ein slechtes Zeichen und führt zu bösen Folgen. Man kann weiter Arbeit machen, durch unserer Arbeit zu üben mit andere Konzentrationen Kohlenstoffnanoröhren, oder mit andere menschliche Gewebe oder nano Teilchen.
20.2Literaturforschung In der Literaturforschung ist unsere Hauptefrage: ‘Warum ist das Aufklären von Studenten über Kohlenstoffnanoröhren wichtig und wie könnte es verbessert werden?’ Diese Frage haben wir beantwortet mit den folgenden Fragen:
Wie kann man Kohlenstoffnanoröhren anwenden und lohnt sich das stimulieren? Was sind die Einwände gegen die tägliche Nutzung von Kohlenstoffnanoröhren? Wie stimuliert die Regierung (die Forschung nach) Kohlenstoffnanoröhren? Warum nur das stimulieren von den Studenten und was wissen die Studenten in diesem Moment über Kohlenstoffnanoröhren? Welches Lernverfahren über Kohlenstoffnanoröhren gibt es auf diesem Moment für die Studenten und könnte es besser sein?
Wir haben mit Interviews, Umfragen, Büchern und anderen Quellen diese Fragen so gut wie möglich beantwortet. Wir haben festgestellt, dass die Kohlenstoffnanoröhren in vielen Sektoren wie ‘Hightech’, ‘Chemie’, ‘Life sciences’, ‘Energie’ und ‘Wasser’ angewandt werden können. Mit den nano Teilchen können technische Dingen gemacht werden, aber auch groβe globale Probleme wie Umweltverschmutzung, tödliche Krankheiten oder Mutter- und Kindersterblichkeit können aufgehoben oder verringert werden.
84
Also ist das aufklären von Studenten über die Kohlenstoffnanoröhren sehr wichtig, weil es viele Möglichkeiten bietet. Wir haben festgestellt dass Studenten sehr wenig von den Kohlenstoffnanoröhren wissen, also das stimulieren durch die Regierung ist nötig. Es ist nötig weil die Studenten und die Kohlenstoffnanoröhren die Zukunft bilden. Um dies zu erreichen, muss die Regierung die Lernverfahren für die Studenten verbessern. Es muss alle Seite von den Kohlenstoffnanoröhren beleuchten, weil die Kohlenstoffnanoröhren sowohl eine naturwissenschaftliche als auch soziale Seite haben.
85
21.
Logboek
Namen leerlingen:
1. Ingeborg Dijkstra 2. Christina Maat Roshan Jahangir (scheikunde) Andries van der Meer
Begeleider vanuit school: Begeleider Universiteit Twente:
86
Datum 06-122010
Tijdsduur 60 min.
Wat? Begin proces PWS met decaan + begeleide r kiezen
Wie? 1+2
Probleem -
Oplossing -
Deadline -
03-012011
30 min.
1+2
-
60 min.
1+2
Nog geen universiteit gevonden -
Zoeken!
09-022011
-
-
-
06-042011
60 min.
1+2
-
-
-
-
10-042011
90 min.
1
-
-
-
-
28-052011
120 min.
2
-
-
14-062011
-
30-052011
60 min.
1+2
Mailen contactpersoon Mailen contactpersoon
-
210 min.
Mogelijkheden nog onduidelijk Aantal vragen
-
12-062011
Bespreke n voortgang Universite it zoeken; Twente wil ons helpen! Mailen met begeleide r Twente, verdiepen in onderwer p Verdiepe n in onderwer p Begin inleiding + theorie Bedenken onderzoe ks-vraag Verder met theorie
23-062011
04-072011
120 min.
Theorie
2
-
-
05-072011
05-07-
100 min.
Theorie
2
Nog weinig
Mailen
-
Nieuwe deadline voorlopige theorie Nieuwe deadline versie 2 theorie -
2
Afspraken Contact opnemen met universiteite n voor begeleiding + Roshan vragen! Snel verder zoeken!
2011
07-072011
30 min.
30-072011
150 min.
03-082011
60 min.
06-082011 09-082011
duidelijk over onderzoek -
contactpersoon -
-
24 en 25 augustus: onderzoeksdata!
1+2
Meer informatie nodig
Mailen contactpersoon Twente
23-082011
-
2
-
-
23-082011 (theorie)
-
1+2
60 min.
Afspraak maken voor onderzoe k in Twente Verder theorie, begin werkwijze – voorberei den onderzoe k Logboek bijwerken , theorie verder Theorie
2
-
-
-
-
225 min.
Theorie
2
-
120 min.
Theorie
1
Mailen contactpersoon Twente -
-
23-082011 24-082011
Informatie weefselkweek nodig -
-
-
620 min.
1+2
Paar vragen omtrent het onderzoek
Vragen contactpersoon Twente
-
-
25-052011
360 min.
1+2
-
-
-
-
01-092011 03-092011 04-092011
30 min.
Theorie, werkwijze , onderzoe k uitvoeren in Twente Theorie, werkwijze , onderzoe k uitvoeren in Twente Werkwijz e Conclusie, discussie Resultate n, werkwijze
2
-
-
-
-
1
-
-
-
-
1
-
-
-
-
60 min. 120 min.
87
88
04-092011
120 min.
Theorie + werkwijze
2
-
-
-
05-092011 10-092011 01-102011
120 min.
1
-
-
-
2
-
-
-
-
1
-
-
-
-
17-102011
300 min.
1
-
-
-
-
17-102011
300 min.
2
-
-
-
-
19-112011 05-122011 07-122011 19-122011
60 min.
1
-
-
-
-
1
-
-
-
-
1
-
-
-
-
1
-
-
-
-
24-122011
120 min.
1
-
-
-
-
28-122011
90 min.
1
-
-
-
-
28-122011
120 min.
1
-
-
-
-
30-122011
240 min.
1
-
-
-
-
01-012012
240 min.
Conclusie, discussie Theorie af!! Discussie: vervolgon der-zoek Conclusie, discussie, werkwijze Resultate n, theorie, Enquête maken Spellingscontrole Spellingscontrole Resultate n enquête in tabellen Controle theorie + werkwijze Conclusie, discussie, vervolgonderzoe k Eventueel deelonderwer p overheid Literatuur onderzoe k literatuurl ijst Begin literatuur onderzoek,
Eerste ruwe versie af: 1209-2011 -
2
Zouden we nog iemand kunnen interviewe
-
-
300 min. 60 min.
60 min. 60 min. 90 min.
03-012012
180 min.
04-012012 04-012012
810 min.
05-012012
480 min
05-012012 06-012012
480
06-012012 06-012012
60 min.
06-012012
300 min.
07-012012
420 min.
07-01-
420 min.
720 min.
120 min.
120 min.
interview Inleiding PWS, literatuur onderzoe k, verbetere n theorie theorie
2
n? -
-
-
-
2
-
-
-
-
Literatuur onderzoe k, voorkant, voorwoor d, inleiding Literatuur onderzoe k, voorwoor d, inleiding, onderzoe ksvragen, hypothes e theorie
1
-
-
-
-
1
-
-
-
-
2
-
-
-
-
Werkwijz e, conclusie, discussie Samenvat ting Literatuur onderzoek Literatuur onderzoek, Literatuur onderzoek, samenvat ting vertalen Literatuur
1
-
-
-
-
1
-
-
-
-
1
-
-
-
-
2
-
-
-
-
1
-
-
-
-
2
-
-
-
-
89
2012
90
07-012012
120 min.
07-012012
240 min.
08-012012
300 min.
09-012012 09-012012
540 min.
10-012012 10-012012
240 min.
06-032012 07-032012
60 min.
120 min.
240 min.
180 min.
onderzoe k, samenvat ting literatuur onderzoe k Tabellen enquête, samenvat ting, reflectie Literatuur onderzoe k af Afronden PWS Enquête resultaten rangschik ken Afronden PWS Afronden, printen en inbinden PWS Nakijken PWS PWS verbetere n
2
-
-
-
-
1
-
-
-
-
2
-
-
-
-
2
-
-
-
-
1
-
-
-
-
2
-
-
-
-
1
-
-
-
-
1+2 1+2
22.
Literatuurlijst
Informatie Boeken 1. Bemelmans, T., Oomen, P., Wobbes, T. (2010), Nanotechnologie, Nijmegen: Valkhofpers 2. BINAS NVON-commissie (2008), BINAS, Groningen/Houten: Noordhoff Uitgevers bv 3. Chemie overal deel 1 Franken, P., Korver, E., Schouten, J., Spillane, B. en Veldema, Y. (2007), Chemie overal sk vwo deel 1, Houten: EPN 4. Chemie overal deel 2 Franken, P., Korver, E., Schouten, J., Spillane, B. en Veldema, Y. (2010), Chemie overal sk vwo deel 2, Houten: EPN 5. Chemie overal deel 3 Franken, P., Korver, E., Schouten, J., Spillane, B. en Veldema, Y. (2009), Chemie overal sk vwo deel 3, Houten: EPN 6. Module nanotechnologie Kerkstra, A. (2011), Nanomaterialen, onbekend 7. Nectar deel 3 Bruin, A. de, Gorp, P. van, Puijk, I., Strikwerda, J., Weeda, A., Wolters, J. (2006), Nectar VWO bovenbouw biologie deel 3, Groningen/Houten: Wolters-Noordhoff bv 8. Samengevat Biologie VWO Leegwater, A.N. en Schoot, E.J. van der (2009), Samengevat biologie VWO, Amersfoort: ThiemeMeulenhoff 9. Samengevat Scheikunde VWO Ris, C. en Vecht, van der J.R. (2009), Samengevat scheikunde VWO, Amersfoort: ThiemeMeulenhoff 10. Wolde, A. ten (2000), Nanotechnologie, Amsterdam: Natuur & Techniek Internet 11. http://www.volkskrant.nl/vk/nl/2844/Archief/archief/article/detail/737084/2003/03/08/Na nodeeltjes-maken-met-een-afwastruc.dhtml geraadpleegd op: 12-6-2011 13. http://www.leerwiki.nl/Gouden_nanodeeltjes_als_genezing_voor_kanker geraadpleegd op: 12-06-2011 14. http://www.rathenau.nl/web-specials/nanodialoog/over-nanotechnologie.html geraadpleegd op: 12-6-2011 15. http://cryptocheilus.wordpress.com/2009/11/07/nanodeeltjes-uit-chirurgische-implantatenschadelijk/ geraadpleegd op: 12-06-2011 16. http://nl.wikipedia.org/wiki/Nanotechnologie geraadpleegd op: 12-06-2011 17. http://www.rivm.nl/rvs/075_nanotechnologie/# geraadpleegd op: 12-06-2011 18. http://www.natuurenmilieu.nl/nanocontrole/wat_is_het/1/1 geraadpleegd op: 12-06-2011 19. http://www.kennislink.nl/publicaties/foto-van-de-week-bij-nanotechnologie geraadpleegd op: 12-06-2011
91
20. http://www.tiouw.com/nlp/enneagram.php?/archives/774-Plantvirus-bruikbaar-om-holnanodeeltje-mee-te-maken.html geraadpleegd op: 12-06-2011 21. http://nl.wikipedia.org/wiki/Chemische_binding geraadpleegd op: 12-06-2011 22. http://nl.wikipedia.org/wiki/Proteoglycaan geraadpleegd op: 04-09-2011 23. http://en.wikipedia.org/wiki/Fibronectin geraadpleegd op: 04-09-2011 24. http://www.rathenau.nl/fileadmin/user_upload/rathenau/Projecten/Nanotechnologie/Nano nieuwsbrief_-_11.pdf geraadpleegd op: 28-12-2011 25. http://www.rijksoverheid.nl/onderwerpen/nanotechnologie/documenten-enpublicaties/kamerstukken/2011/09/23/kamerbrief-nanotechnologie.html geraadpleegd op: 30-12-2011 26. http://www.nanopodium.nl/CieMDN/projecten/activiteiten_gericht_op_jongeren/nanovide ohunt geraadpleegd op: 30-12-2011 27. www.kennislink.nl geraadpleegd op: 04-01-2012 28. www.rathenau.nl/nanodialoog geraadpleegd op: 04-01-2012 29. http://nl.wikipedia.org/wiki/Vanderwaalskrachten geraadpleegd op: 04-01-2012 30. http://nl.wikipedia.org/wiki/Londonkracht geraadpleegd op: 04-01-2012 31. http://nl.wikipedia.org/wiki/Chemische_binding geraadpleegd op: 04-01-2012 32. http://www.natuurenmilieu.nl/nanocontrole/wat_is_het/1/1 geraadpleegd op: 04-01-2012 33. http://www.stw.nl/Nieuws/20110228.htm geraadpleegd op: 06-01-2012 34. http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/ict/files/communication_key_enabling_technologies _sec1257_en.pdf geraadpleegd op: 06-01-2012 35. http://www.nanocontrole.nl/over-nano/wet-regels/ geraadpleegd op: 06-01-2012 36. http://www.rijksoverheid.nl/onderwerpen/ondernemersklimaat-en-innovatie/investeren-intopsectoren geraadpleegd op: 06-01-2012 37. http://www.millenniumdoelen.nl/Millenniumdoelen/Milleniumdoelen geraadpleegd op: 0601-2012 38. http://www.rijksoverheid.nl/onderwerpen/klimaatverandering/internationaleklimaatafspraken?ns_campaign=Thema-milieu-ruimte-enwater&ro_adgrp=Klimaatverandering_kyoto&ns_mchannel=sea&ns_source=google&ns_link name=kyoto%20protocol&ns_fee=0.00 geraadpleegd op: 07-01-2012 39. http://books.google.nl/books?id=0T8gGxYqAX0C&pg=PA123&lpg=PA123&dq=eenvoudige+c omplexe+risico's&source=bl&ots=jCE_wDB-J8&sig=Wd_AnWceFdvsjjE0FYKeudlOD8&hl=en&sa=X&ei=qmEIT6n1LMno-
92
ga1yPDCAQ&sqi=2&ved=0CCoQ6AEwAg#v=onepage&q=eenvoudige%20complexe%20risico' s&f=false geraadpleegd op: 07-01-2012 40. http://www.leefbewust.com/themas/nanodeeltjes.html geraadpleegd op: 07-01-2012 41. http://www.praktijk.nu/nl/home/Lesmateriaal/Lesmateriaal-downloaden/mijn-nanotoekomst geraadpleegd op: 08-01-2012 42. http://www.nanopodium.nl/CieMDN/content/02_Mag_Wat_Kan_project_105_160310.pdf geraadpleegd op: 08-01-2012 43. http://www.nanosociety.nl/ geraadpleegd op: 08-01-2012 44. http://www.nanohouse.nl/activiteiten/doorlopende-leerlijn-nanotechnologie/ geraadpleegd op: 08-01-2012 45. http://education.kilroyworld.nl/studierichtingen/techniek/nanotechnologie geraadpleegd op: 08-01-2012 46. http://tudelft.nl/en/study/undergraduates-bachelors/undergraduateprogrammes/nanobiologie/ geraadpleegd op: 08-01-2012 47. http://nl.wikipedia.org/wiki/Polymerisatie geraadpleegd op: 09-01-2012 48. http://nl.wikipedia.org/wiki/Peptidebinding geraadpleegd op: 09-01-2012 49. http://nl.wikipedia.org/wiki/Koolstofnanobuis geraadpleegd op: 09-01-2012 50. http://www.pa.msu.edu/cmp/csc/ntproperties/equilibriumstructure.html geraadpleegd op: 09-01-2012 51. http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube geraadpleegd op: 09-01-2012 52. http://sites.google.com/site/nanomodern/Home/CNT/syncnt/arc-discharge geraadpleegd op: 09-01-2012 53. http://nl.wikipedia.org/wiki/Ultrageluid geraadpleegd op: 09-01-2012 54. http://nl.wikipedia.org/wiki/Slagader geraadpleegd op: 09-01-2012 55. http://nl.wikipedia.org/wiki/Haarvat geraadpleegd op: 09-01-2012 56. http://nl.wikipedia.org/wiki/Ader_(anatomie) geraadpleegd op: 09-01-2012 57. http://en.wikipedia.org/wiki/Extracellular_matrix geraadpleegd op: 09-01-2012 58. http://nl.wikipedia.org/wiki/Trypsine geraadpleegd op: 09-01-2012 59. http://en.wikipedia.org/wiki/Propidium_iodide geraadpleegd op: 09-01-2012 60. http://en.wikipedia.org/wiki/Calcein geraadpleegd op: 09-01-2012
93
61. http://www.tno.nl/content.cfm?context=thema&content=innovatiegebied&laag1=891&laag 2=904&item_id=904&Taal=1 geraadpleegd op: 10-01-2012 62. http://www.ser.nl/~/media/DB_Deeladviezen/2000_2009/2009/b27741/b27741_strategiebr ief.ashx geraadpleegd op: 10-01-2012 (Kranten)artikelen 63. Akkerman, S. en Wolde, A. ten (2011), Fabrikant moet nanodeeltjes vermelden. Nanotechnologie is veelbelovend, maar mag niet uitdraaien op een tweede asbestramp. Uit: NRC Handelblad van 16-02-2011, pagina 8. 64. Jongh, H. de (2012), Nano-studie wijst uit dat subsidies helpen ideeën marktrijp te maken – van vijf ‘nanotechnologische ideeën’ waren er drie succesvol. Uit: Financieel Dagblad van 0901-2012, pagina 10.
Figuren Boeken Figuur 38: BINAS
Figuur 39: BINAS
Internet Figuur 1: http://www.optologie.be/licht.html geraadpleegd op: 12-06-2011
94
Figuur 2: http://www.wetenschapsforum.nl/index.php?showtopic=74618 geraadpleegd op: 12-06-2011
Figuur 3: http://members.chello.nl/s.bosch4/klas%203_hoofdstuk%201.htm geraadpleegd op: 12-06-2011
Figuur 4: http://nl.elzendaaltechniek.wikia.com/index.php?title=Bestand:Periodiek_systeem_1.png&li mit=500&showall=0 geraadpleegd op: 12-06-2011
Figuur 5: http://sites.google.com/site/chemievooriedereen/home/wat-is-chemie-/5chemische-binding geraadpleegd op: 12-06-2011
Figuur 6: http://www.emu.dk/elever710/fag/fys/temaer/kemisk_binding/bindinger/ionbinding/index.html geraadpleegd op: 1206-2011
Figuur 7: http://telescript.denayer.wenk.be/2007-08/a2c3/public_html/hfdst1.shtml geraadpleegd op: 12-06-2011
Figuur 8: http://www.osgbk.nl/lijm/Dipoolbinding.html geraadpleegd op 12-06-2011
Figuur 9: http://www.jbruinink.nl/water.html geraadpleegd op: 12-06-2011
Figuur 10: http://www.aphelder.nl/scheikunde/herhalingh3.htm geraadpleegd op: 12-062011
Figuur 11: http://static.wix.com/media/b2a76594e44b457316f1ade698fd7875.wix_mp_256 geraadpleegd op: 12-06-2011
Figuur 12: http://nl.wikipedia.org/wiki/Additie geraadpleegd op: 09-01-2012
Figuur 13: http://nl.wikipedia.org/wiki/Substitutiereactie geraadpleegd op: 09-01-2012
Figuur 14: http://nl.wikipedia.org/wiki/1,2-eliminatie geraadpleegd op: 09-01-2012
Figuur 15: http://nl.wikipedia.org/wiki/Beckmann-omlegging geraadpleegd op: 09-01-2012
Figuur 16: http://www.godunov.com/bucky/fullerene.html geraadpleegd op: 12-06-2011
Figuur 17: http://www.refdag.nl/dossiers/overzicht-dossiers/wetenschap/nanotechnologie geraadpleegd op: 12-06-2011
Figuur 18: http://www.kijkopkunst.be/taalvandekunst/pagina.asp?pagkey=41008&mode=read geraadpleegd op: 04-09-2011
Figuur 20: https://www.qiagen.com/geneglobe/pathwayview.aspx?pathwayID=299 geraadpleegd op: 04-09-2011
Figuur 21: http://wikiwijs-biologie.nl/index.php/Opname_en_afgifte_van_stoffen geraadpleegd op: 10-09-2011
Figuur 22: http://cscbiologie.jouwweb.nl/onderwerpen/menselijk-lichaam/cellen-enorganellen geraadpleegd op: 10-09-2011
Figuur 23: http://www.10voorbiologie.nl/index.php?cat=9&id=284&par=286&sub=287 geraadpleegd op: 10-09-2011
Figuur 24: http://en.wikipedia.org/wiki/DNA geraadpleegd op: 10-09-2011
Figuur 25: http://www.goeievraag.nl/vraag/waarvoor-dient-dna-replicatie-keer.171073 geraadpleegd op: 10-09-2011
Figuur 26: http://www.allesoverdna.nl/basisinfo/bouwstenen/hoe-worden-eiwittengemaakt.html geraadpleegd op: 10-09-2011
Figuur 27: http://nl.eiwitsynthese.onlinefreeonline.com/ geraadpleegd op: 10-09-201
Figuur 28: Nectar deel 3 - Bruin, A. de, Gorp, P. van, Puijk, I., Strikwerda, J., Weeda, A., Wolters, J. (2006), Nectar VWO bovenbouw biologie deel 3, Groningen/Houten: WoltersNoordhoff bv
Figuur 29: http://nl.wikipedia.org/wiki/Aminozuur geraadpleegd op: 10-09-2011
Figuur 30: http://en.wikipedia.org/wiki/Dipeptide geraadpleegd op: 10-09-2011
95
96
Figuur 31: http://www.ecodor.nl/component/option,com_glossary/Itemid,670/catid,266/func,view/ter m,Enzym/ geraadpleegd op: 10-09-2011
Figuur 32: http://tweakers.net/nieuws/49576/wetenschappers-ontwikkelennanokoolstofdraad.html geraadpleegd op: 06-08-2011
Figuur 33: http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S151614392008000300016&script=sci_arttext geraadpleegd op: 06-08-2011
Figuur 34: http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube geraadpleegd op:07-08-2011
Figuur 35: http://nanopedia.case.edu/NWPage.php?page=nanotubes geraadpleegd op:1206-2011
Figuur 36: http://nanoall.blogspot.com/2008/12/construction-of-carbon-nanotube-and.html geraadpleegd op: 09-08-2011 & http://www.pa.msu.edu/cmp/csc/ntproperties/equilibriumstructure.html geraadpleegd op: 09-08-2011
Figuur 37: http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube geraadpleegd op: 07-08-2011
Figuur 38: http://www.sciencephoto.com/media/9485/enlarge geraadpleegd op: 12-06-2011
Figuur 39: http://www.yonex.com/tennis/technology/racquets.html geraadpleegd op: 12-062011
Figuur 40: http://sites.google.com/site/nanomodern/Home/CNT/syncnt/arc-discharge geraadpleegd op: 06-08-2011
Figuur 41: http://sites.google.com/site/nanomodern/Home/CNT/syncnt/laser-ablation geraadpleegd op: 06-08-2011
Figuur 43: http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S151614392008000300016&script=sci_arttext geraadpleegd op: 06-08-2011
Figuur 44: http://www.unige.ch/cyberdocuments/theses2001/BisognanoC/these_body.html geraadpleegd op: 04-09-2011
Figuur 43: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Disulfide-bond.png geraadpleegd op: 04-092011
Figuur 44: http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462a/NOTES/CARBO/carb_function.htm geraadpleegd op: 04-09-2011
Figuur 45: http://www.vob-ond.be/Biologielexicon/alfabetmap/A/alvleessap.html geraadpleegd op: 04-09-2011
Figuur 46: Nectar deel 3 - Bruin, A. de, Gorp, P. van, Puijk, I., Strikwerda, J., Weeda, A., Wolters, J. (2006), Nectar VWO bovenbouw biologie deel 3, Groningen/Houten: WoltersNoordhoff bv
Figuur 48: http://www.unige.ch/cyberdocuments/theses2001/BisognanoC/these_body.html geraadpleegd op: 04-09-2011
Figuur 52: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Neubauer_improved_with_cells.jpg geraadpleegd op: 04-09-2011
Figuur 54: http://www.rijksoverheid.nl/onderwerpen/nanotechnologie/documenten-enpublicaties/kamerstukken/2011/09/23/kamerbrief-nanotechnologie.html geraadpleegd op: 30-12-2011
Figuur 55: http://www.rijksoverheid.nl/onderwerpen/nanotechnologie/documenten-enpublicaties/kamerstukken/2011/09/23/kamerbrief-nanotechnologie.html geraadpleegd op: 30-12-2011
97
Bijlage 1 – Foto’s onderzoek in Twente
Het medium (egm) wordt hier uit de ‘wells’ gezogen. Zo kunnen we nieuwe oplossingen aan de cellen toevoegen, zodat we verder kunnen met ons onderzoek.
Een centrifuge die krachten van 390 G kan bereiken. We hebben dit apparaat gebruikt om de cellen te scheiden van de vloeistof, door middel van centrifugeren.
De dopjes op de microliter pipet moeten na een aantal keer pipetteren vervangen worden…
98
Hier wordt gewerkt met de cellen onder een soort afzuigkap die ervoor zorgt dat er de hele tijd schone lucht wordt geblazen boven het werkterrein, om aantasting van de gekweekte cellen door bacteriële infecties en schimmels tegen te gaan.
Hier bekijkt onze begeleider, Andries van der Meer, onze gekweekte cellen onder een microscoop.
In het celkweeklaboratorium.
99
Dit is de experimentele plaat, die wij voor ons onderzoek hebben gebruikt.
Hier is het gebouw ‘de Waaier’ te zien, waar het nanolaboratorium in Twente is gevestigd.
100
Bijlage 2 – Interviews
Interview Nanotechnologie Nanotechnologie in het dagelijks leven 1. Wie bent u en wat is uw beroep? Ik ben Sandra Remijn, Product Specialist bij Sysmex Nederland. 2. Wat weet u van nanotechnologie af? We verkopen apparatuur die nano deeltjes kan meten. En nanotechnologie wordt gebruikt voor heel veel verschillende toepassingen. 3. In hoeverre komt u in aanraking met (het gebruik van) nanotechnologie met uw werk/in het dagelijks leven? Werk: ik help mee met de ondersteuning van de verkoop van apparatuur die nanodeeltjes kan meten. Dagelijks: in veel producten wordt nanotechnologie gebruikt. 4. Zou volgens u nanotechnologie nieuwe ontwikkelingen en ontdekkingen binnen uw sector/beroep kunnen stimuleren? Jazeker, indien bij de nanotechnologie deeltjesgrootten gemeten moet worden hebben we hiervoor apparatuur. Maar mogelijk ook voor product ontwikkeling. En zou nanotechnologie volgens u dus een positieve impact kunnen hebben binnen uw sector? Jazeker 5. Vindt u dat nanotechnologie meer gestimuleerd zou moeten worden door de overheid en waarom? Nee. Nanotechnologie is voor veel toepassingen goed, maar je moet wel de juiste toepassing weten. Bijvoorbeeld een auto is van een bepaald materiaal gemaakt, als het staal de beste oplossing is hoeft de overheid niet te beslissen dat kunststof een betere oplossing is, de ontwikkelaars weten (neem ik aan) wat het beste is en in hoeverre de overheid hier iets mee kan doen zie ik niet direct, hoogstens zorgen voor subsidie voor onderzoek in specifieke technieken goed voor gezondheid en milieu. Ditzelfde geld voor nanotechnologie, de ontwikkelaars weten normaal gesproken het beste waarom ze het gebruiken of toepassen. 6. Zou er volgens u meer voorlichting over nanotechnologie plaats moeten vinden aan de bevolking, scholieren en/of aan bedrijven en investeerders? Voorlichting over de nanotechnologie kan helpen voor meer begrip en leren voor de toepassingen. Vaak sta je er niet bij stil dat nanotechnologie wordt gebruikt. 7. Heeft u ook bezwaren tegen het gebruik en onderzoek naar nanotechnologie en zo ja, welke? Nee, geen bezwaren, het is heel belangrijk
101
Interview Nanotechnologie Nanotechnologie in het dagelijks leven 1. Wie bent u en wat is uw beroep? Caroline Remijn, Microscopist op de afdeling Imaging & Microstructure. 2. Wat weet u van nanotechnologie af? Overal komt ‘nano’ voor, ook in de natuur. Tegenwoordig worden steeds meer toepassingen onderzocht voor verbetering van allerlei producten. 3. In hoeverre komt u in aanraking met (het gebruik van) nanotechnologie met uw werk/in het dagelijks leven? We onderzoeken diverse producten waarbij we tot op nano-schaal kunnen inzoomen, hierbij kunnen eventueel aanwezige nano-deeltjes zichtbaar gemaakt worden of aangetoond worden dat de deeltjes juist groter zijn. 4. Zou volgens u nanotechnologie nieuwe ontwikkelingen en ontdekkingen binnen uw sector/beroep kunnen stimuleren? En zou nanotechnologie volgens u dus een positieve impact kunnen hebben binnen uw sector? Voor sommige producten zou nanotechnologie zeker een positieve bijdrage kunnen leveren. Er moet dan wel goed onderzocht worden wat de gevolgen zijn van gebruik van de nanodeeltjes. 5. Vindt u dat nanotechnologie meer gestimuleerd zou moeten worden door de overheid en waarom? Het zou goed zijn als de overheid stimuleert om meer en diepgaand onderzoek uit te voeren zodat de eventuele risico’s in kaart gebracht kunnen worden. 6. Zou er volgens u meer voorlichting over nanotechnologie plaats moeten vinden aan de bevolking, scholieren en/of aan bedrijven en investeerders? Als er duidelijke onderzoeksresultaten zijn zou het goed zijn deze uit te dragen zodat in een breder publiek duidelijk wordt wat nanotechnologie precies inhoudt. 7. Heeft u ook bezwaren tegen het gebruik en onderzoek naar nanotechnologie en zo ja, welke? Geen bezwaren, ‘nano’ komt al overal voor, maar wel op voorwaarde dat goede onderzoeken worden gedaan bij toepassing van nanotechnologie in producten.
Interview Nanotechnologie Nanotechnologie in het dagelijks leven 1. Wie bent u en wat is uw beroep? Marjolein van Ruijven, ik ben science leader Imaging & Microstructure
102
2. Wat weet u van nanotechnologie af? Dat nanotechnologie het manipuleren van nanostructuren is. Want eigenlijk bestaat de hele natuur uit nanodeeltjes. 3. In hoeverre komt u in aanraking met (het gebruik van) nanotechnologie met uw werk/in het dagelijks leven? Soms wordt de vraag gesteld of er nanodeeltjes in onze proef-producten zit. En aangezien wij dat niet willen, is het onze taak om daar naar te kijken. 4. Zou volgens u nanotechnologie nieuwe ontwikkelingen en ontdekkingen binnen uw sector/beroep kunnen stimuleren? En zou nanotechnologie volgens u dus een positieve impact kunnen hebben binnen uw sector? Nanotechnologie kan zeker helpen bij nieuwe ontwikkelingen en helpen bij het maken van betere medicijnen etc. Maar dan moet er ook goed gekeken worden of er gevaren van nanotechnologie zijn. 5. Vindt u dat nanotechnologie meer gestimuleerd zou moeten worden door de overheid en waarom? Er moet zeker onderzoek naar gedaan worden, zowel naar de toepasbaarheid en risico’s. De overheid zou daar een voortrekkersrol in kunnen vervullen. 6. Zou er volgens u meer voorlichting over nanotechnologie plaats moeten vinden aan de bevolking, scholieren en/of aan bedrijven en investeerders? Ja, zeker als er goed onderzoek is gedaan en niet alleen bangmakerij. 7. Heeft u ook bezwaren tegen het gebruik en onderzoek naar nanotechnologie en zo ja, welke? Alles is nano, dus je kan het gebruik van nano niet uitsluiten. Alleen daarom is het goed om het te onderzoeken.
Interview Nanotechnologie Nanotechnologie in het dagelijks leven 1. Wie bent u en wat is uw beroep? Mijn naam is Roshan Jahangir, ik ben gepromoveerd in het biochemisch onderzoek en ben nu scheikunde docent op College Hageveld. 2. Wat weet u van nanotechnologie af? Ik weet het een en ander uit workshops en lezingen, maar heb zelf geen ervaring met nanotechnologisch onderzoek. Ben wel bekend met de verschillende toepassingsgebieden en eventuele gevaren en ook bezig om te proberen om nanotechnologie onderdeel te maken van de leerstof.
103
3. In hoeverre komt u in aanraking met (het gebruik van) nanotechnologie met uw werk/in het dagelijks leven? Vanwege mijn eigen interesse redelijk veel, omdat ik denk dat het nuttig is voor de algemene ontwikkeling van VWO-ers om er iets vanaf te weten. 4. Zou volgens u nanotechnologie nieuwe ontwikkelingen en ontdekkingen binnen uw sector/beroep kunnen stimuleren? En zou nanotechnologie volgens u dus een positieve impact kunnen hebben binnen uw sector? Binnen het natuurwetenschappelijk onderzoek zeker, al denk ik wel dat het geen hele grote zichtbare veranderingen teweeg zal brengen, eerder vooruitgang (door de schaalverkleining) achter de schermen. Dus dezelfde technieken, maar dan breder inzetbaar. 5. Vindt u dat nanotechnologie meer gestimuleerd zou moeten worden door de overheid en waarom? Volgens mij doet de overheid best wel al wat, er zijn discussieforums en er worden ook subsidies uitgekeerd. 6. Zou er volgens u meer voorlichting over nanotechnologie plaats moeten vinden aan de bevolking, scholieren en/of aan bedrijven en investeerders? Er is nog wat onduidelijkheid over de mogelijke gevaren en erg weinig kennis waar het allemaal al wordt toegepast, maar er is ook weinig interesse. Het heeft geen prioriteit bij de bevolking en dat hoeft ook eigenlijk niet. Bij bedrijven en investeerders zou het wellicht wel nuttig zijn, om goed gebruik te maken van de ontwikkelingen . 7. Heeft u ook bezwaren tegen het gebruik en onderzoek naar nanotechnologie en zo ja, welke? Nee
Interview Nanotechnologie Nanotechnologie in het dagelijks leven 1. Wie bent u en wat is uw beroep? Mijn naam is Ingrid Lommerse en ik ben medisch onderzoeker. 2. Wat weet u van nanotechnologie af? Ik ben op de hoogte van de basiskennis. Mij is bekend dat deze technologie betrekking heeft op kleine atomaire structuren en dat deze deeltjes in specifieke volgorde gelegd kunnen worden. 3. In hoeverre komt u in aanraking met (het gebruik van) nanotechnologie met uw werk/in het dagelijks leven? Ik kom niet in aanraking met nanotechnologie in mijn dagelijkse werkzaamheden
104
4. Zou volgens u nanotechnologie nieuwe ontwikkelingen en ontdekkingen binnen uw sector/beroep kunnen stimuleren? En zou nanotechnologie volgens u dus een positieve impact kunnen hebben binnen uw sector? Nanotechnologie stimuleren binnen mijn sector is niet mogelijk vanuit mijn beroep. De medische wetenschap is er zeer zeker mee bezig, maar het is nog te vroeg om hier medische trials mee uit te voeren. Voordat deze technologie in trial op personen mag uitgevoerd worden, moet er een uitgebreid traject voor plaats vinden. Wel denk ik dat deze ontwikkelingen zeker verder uitgezocht moeten worden, zodat er uiteindelijk klinische studies uitgevoerd kunnen worden. 5. Vindt u dat nanotechnologie meer gestimuleerd zou moeten worden door de overheid en waarom? Ik ben van mening dat onderzoek in het algemeen ondersteund en gestimuleerd moet worden door de overheid. 6. Zou er volgens u meer voorlichting over nanotechnologie plaats moeten vinden aan de bevolking, scholieren en/of aan bedrijven en investeerders? Voor nu is nanotechnologie voor veel mensen een niet begrijpelijke term. Het kan geen kwaad om meer open te zijn over nanotechnologie. Dit maakt de term duidelijker. Bedrijven en investeerders hebben zelf de verantwoordelijkheid om kennis hierover te vergaren. Voor deze groep vind ik het niet noodzakelijk dat er extra voorlichting moet komen. 7. Heeft u ook bezwaren tegen het gebruik en onderzoek naar nanotechnologie en zo ja, welke? Nee, mits alles goed uitgezocht wordt voordat er trials gestart worden. Dank u wel voor het interview!
Interview Nanotechnologie Nanotechnologie in het dagelijks leven 1. Wie bent u en wat is uw beroep? Wim Buijs, deeltijdhoogleraar Toepassing Molecular Modeling en Duurzame Procesontwikkeling TU Delft 2. Wat weet u van nanotechnologie af? Van kleine stukken nanotechnologie redelijk veel, van grote stukken nanotechnologie tamelijk weinig. 3. In hoeverre komt u in aanraking met (het gebruik van) nanotechnologie met uw werk/in het dagelijks leven? Regelmatig in het ontwikkelen van materialen die gebruikt worden in scheiding van stoffen en/of katalyse.
105
4. Zou volgens u nanotechnologie nieuwe ontwikkelingen en ontdekkingen binnen uw sector/beroep kunnen stimuleren? En zou nanotechnologie volgens u dus een positieve impact kunnen hebben binnen uw sector? Nanotechnologie is geen doel maar een van de vele middelen om duurzame processen te kunnen ontwikkelen. De moleculaire modelering van nanomaterialen is erg interessant omdat ze inzicht geeft in de vraag in hoeverre ze echt “nano” is, dwz de eigenschappen niet op een strict moleculair nivo, en niet op een strict “(oneindig) materiaal” nivo verklaard kunnen worden. Alleen de afmetingen (nanometergebied) maakt een materiaal niet tot een onderdeel van nanotechnologie. 5. Vindt u dat nanotechnologie meer gestimuleerd zou moeten worden door de overheid en waarom? Nee, niet in het bijzonder en als nanotechnologie zodanig! Het is veel beter algemene vrije research te stimuleren dan het schaarse geld in te zetten op een mode-onderwerp of dat nu nanotechnologie, duurzaamheid, kankerbestrijding oid heet. Als er al nanotechnologieresearch dient te worden gestimuleerd is dat het onderzoek naar de factoren die de toxiciteit/carcinogeniteit van nanotechnologische toepassingen bepalen. Daar is een groot gebrek aan en dat leidt tot onderschatting van de gevaren, en ook overdreven angst voor de prachtige toepassingen van nanotechnologie die er ook zullen komen. 6. Zou er volgens u meer voorlichting over nanotechnologie plaats moeten vinden aan de bevolking, scholieren en/of aan bedrijven en investeerders? Goede voorlichting is altijd welkom met de nadruk op goede. Voor de bevolking moeten er eenvoudige classificaties van nuttig toepassingsgebied en/of gevaren komen, voor scholieren (HAVO/VWO) heeft alleen opname in de bovenbouw van de beta-vakken zin omdat ze eerst moeten leren hoe je eigenschappen kan verklaren vanuit moleculaire danwel materiaalgegevens, voordat je echte nanotechnologie gaat behandelen. Investeerders zoeken het zelf wel uit.. 7. Heeft u ook bezwaren tegen het gebruik en onderzoek naar nanotechnologie en zo ja, welke? Ik heb geen bezwaren tegen onderzoek en verantwoord gebruik van nanotechnologie, maar dan wel in die volgorde.
Dank u wel voor de interviews!
106
Bijlage 3 – enquête, ‘format’
Enquête profielwerkstuk nanotechnologie 1. Ik ben een: o Jongen o Meisje 2. Leeftijd: o 14 jaar o 15 jaar o 16 jaar o 17 jaar 3. Stroom: o Natuur o Maatschappij 4. Lijkt het je interessant/leuk om wat over nanotechnologie te leren? o Ja o Nee 5. Wat weet je al van nanotechnologie? o Veel o Weinig o Niets 6. Wat is nanotechnologie kort gezegd? o Het maken van nieuwe deeltjes met bijzondere eigenschappen o Werken met kleine deeltjes o Iets met computers o Geen idee 7. Op welk gebied zou je (nog) meer over nanotechnologie willen weten? o Op medisch gebied (denk aan medicijnen, geneestechnieken, (hightech)producten etc.) o Op maatschappelijk gebied (denk aan eventuele gevaren voor volksgezondheid, voorlichting etc.) o Anders namelijk: 8. Lijkt je of vindt je nanotechnologie gevaarlijk/eng? o Ja o Nee o Een beetje Want: 9. Moet onderzoek met ‘nanotechnologie’ gestimuleerd worden volgens jou? o Ja o Nee
107
10. Nanotechnologie is onze toekomst! (1= absoluut niet mee eens, 5= absoluut wel mee eens! Omcirkel het getal dat de mate aangeeft waarin jij het met de stelling eens bent) 1 2 3 4 5
108
Bijlage 4 – enquête resultaten verwerkt in tabellen Vraag 2 (leeftijd)
Jn
Jm
Mn
Mm
14 15 16 17
0 8 7 1
1 10 2 1
0 7 3 0
1 12 3 1
Vraag 4 (verder leren?) Ja Nee
Jn 9 7
Jm 6 8
Mn 2 8
Mm 2 15
Vraag 5 (verstand) 1: niets 2: niets tot weinig 3: weinig 4: weinig tot veel 5: veel
Jn 8 0 7 0 1
Jm 4 2 7 0 1
Mn 10 0 0 0 0
Mm 3 1 13 0 0
Vraag 6 (wat is nano) Goed Fout
Jn 1 15
Jm 6 8
Mn 1 9
Mm 4 13
Vraag 7 (gebied) Medisch Maatschappelijk Anders
Jn 9 3 4
Jm 5 3 6
Mn 10 0 0
Mm 6 7 4
Vraag 8 (Eng?) Ja Nee Beetje
Jn 0 14 2
Jm 3 7 4
Mn 0 7 3
Mm 1 11 5
Vraag 9 (gestimuleerd) Ja Nee
Jn 12 4
Jm 11 3
Mn 3 6
Mm 12 5
Vraag 10 (toekomst) 1: helemaal niet mee eens 2: niet mee eens 3: neutraal 4: mee eens 5: helemaal mee eens
Jn 2
Jm 2
Mn 1
Mm 2
2 2 7 3
0 4 4 4
0 9 0 0
3 5 7 0
109
Jongen natuur Jongen maatschappij Meisje natuur Meisje maatschappij
Afkorting
Aantal
Jn Jm
16 14
Mn Mm
10 17
Opmerkingen: Bij maatschappij wel al les gegeven.
Vraag 6 Jn/Mn degene die het antwoord goed hebben zeggen er niks van te weten (gok misschien?) Vraag 8 Jm Ja (onzin: 2x Ajax, 1x zonlicht)
Vraag 9 Mn 1 weet ik niet, dus daarom totaal 9
Resultaten verwerkt in percentages Vraag 4 Natuur
Beide
Ja
42%
26%
33%
Nee
58%
74%
67%
Vraag 5
Natuur
Maatschappij
Beide
1: niets
69%
23%
44%
2: niets tot weinig
0%
9%
5%
3: weinig
27%
65%
47%
4: weinig tot veel
0%
0%
0%
5: veel
4%
3%
4%
Natuur
Maatschappij
Beide
Goed
8%
32%
21%
Fout
92%
68%
79%
Vraag 6
110
Maatschappij
Vraag 7
Natuur
Maatschappij
Beide
Medisch
73%
36%
53%
Maatschappelijk
12%
32%
23%
Anders
15%
32%
24%
Vraag 8
Natuur
Maatschappij
Beide
Ja
0%
13%
4%
Nee
81%
58%
39%
Beetje
19%
29%
14%
Vraag 9
Natuur
Maatschappij
Beide
Ja
60%
74%
68%
Nee
40%
26%
32%
Vraag 10
Natuur
Maatschappij
Beide
1: helemaal niet mee eens
12%
13%
12%
2: niet mee eens
8%
10%
9%
3: neutraal
42%
29%
35%
4: mee eens
26%
35%
32%
5: helemaal mee eens
12%
13%
12%
111
Bijlage 5 – tabel met gebruikte eenheden, grootheden en vergrotingsfactoren in ons PWS Grootheid Atoommassa Diameter Dichtheid Druk Frequentie Golflengte Hoeveelheid stof Inhoud Kracht Lading Lengte Massa Oppervlakte Straal Stroomsterkte Temperatuur Tijd Volume
Symbool A d ρ p f λ n V F Q, q l m A R, r I T t V
Eenheid Atomaire massa-eenheid Meter Kilogram per kubieke meter Pascal Hertz Meter Mol Kubieke meter Newton Coulomb meter Kilogram Vierkante meter Meter Ampère Kelvin Seconde Kubieke meter
Symbool u (1 u = 1,66 ∙ 10-27 kg) m kg ∙ m-3 Pa = N ∙ m-2 Hz = s-1 M Mol m3 N = kg ∙ m ∙ s-2 C = As M Kg m2 m A K S m3
Vergrotingsfactoren Factor 101 102 103 106 109 1012 1015 1018 1021 1024
112
Naam deca hecto kilo mega giga tera peta exa zetta yotte
Symbool da h k M G T P E Z Y
Nederlandse naam tien(de) honderd(ste) duizend(ste) miljoen(ste) miljard(ste) biljoen(ste) biljard(ste) triljoen(ste) triljard(ste) quadriljoen(ste)
Factor 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24
Naam decti centi milli micro nano pico femto atto zepto yocto
Symbool d c m µ n p f a z y
Bijlage 6 – Verklaring van eigen werk Ondergetekende, …………………………….. (naam) verklaart - dat dit PWS eigen werk is; - dat alles wat overgenomen is uit enige bron voorzien is van een correcte bronvermelding. Heemstede, ……………………………………(datum) Handtekening: …………………………………………………..
Ondergetekende, …………………………….. (naam) verklaart - dat dit PWS eigen werk is; - dat alles wat overgenomen is uit enige bron voorzien is van een correcte bronvermelding. Heemstede, ……………………………………(datum) Handtekening: …………………………………………………..
113
Bijlage 7 – Artikel koolstof nanobuisjes
114
115
