De kracht van het kleine [24] Nanotechnologie. Docent: Roshan Jahangir Vakken: biologie & scheikunde

Transcriptie

1 De kracht van het kleine [24] Nanotechnologie Docent: Roshan Jahangir Vakken: biologie & scheikunde Ingeborg Dijkstra & Christina Maat College Hageveld

2 2

3 Inhoudsopgave 1. Voorwoord pagina 5 2. Inleiding pagina 6 3. Theorie 3.1 Algemene theorie Atomen, moleculen en stoffen pagina Nanodeeltjes pagina Cellen pagina Experimentele theorie pagina Koolstof nanobuisjes pagina Weefselkweek pagina 35 Laboratoriumonderzoek 4. Onderzoeksvraag en hypothese pagina Onderzoeksvraag pagina Hypothese pagina Werkplan pagina Deel 1 Kweken vaatwandendotheelcellen pagina Deel 2 Koolstof nanobuisjes pagina Deel 3 Analyseren vaatwandendotheelcellen pagina R&S-regels pagina Resultaten pagina Proef 1 pagina Proef 2 pagina Proef 3 pagina Resultaten in tabel pagina Berekening aantal ml oplossing met cellen pagina Conclusie pagina Discussie pagina Mogelijkheid vervolgonderzoek pagina 55 Literatuuronderzoek 9. Inleiding pagina Onderzoeksvraag pagina Beschrijving werkwijze pagina Hypothese pagina Hoe kan nanotechnologie toegepast worden en is dit pagina 58 het stimuleren waard? 10.1 (Mogelijke) toepassingen van nanotechnologie pagina Gevolgen van nanotechnologie pagina Nano, meer dan alleen gadgets? pagina Wat zijn de bezwaren tegen het gebruik en toepassen pagina 63 van nanotechnologie? 11.1 Risico s pagina Risico s van het gebruik van nanotechnologie pagina Ethische bezwaren tegen nanotechnologie pagina 64 3

4 12. Wat hebben de overheid en de politiek met (onderzoek pagina 66 aan) nanotechnologie te maken? 12.1 Kabinetsbeleid nanotechnologie pagina Financiering nanotechnologie pagina Wet en regelgeving nanotechnologie pagina Stichtingen, organisaties en instituten pagina Nanotechnologie en de maatschappij pagina Nanotechnologie, Nederland en Europa pagina Waarom juist het stimuleren van middelbare scholieren pagina 71 en wat weten middelbare scholieren op die moment van nanotechnologie? 13.1 Enquête pagina Welk lesmatriaal over nanotechnologie is er op dit moment pagina 74 voor middelbare scholieren beschikbaar en zou dit beter kunnen? 14.1 (Schriftelijke) module nanotechnologie pagina Nanotechnologie in hoger onderwijs pagina Conclusie pagina Discussie pagina Mogelijkheden voor vervolgonderzoeken pagina Reflectie pagina Samenvatting pagina Laboratoriumonderzoek pagina Literatuuronderzoek pagina Summary pagina Laboratory research pagina Research based on literature pagina Zusammenfassung pagina Laboratoriumforschung pagina Literaturforschung pagina Logboek pagina Literatuurlijst pagina 91 Bijlage 1 pagina 97 Bijlage 2 pagina 100 Bijlage 3 pagina 106 Bijlage 4 pagina 108 Bijlage 5 pagina 111 Bijlage 6 pagina 112 Bijlage 7 pagina 113 4

5 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

6 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

7 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

8 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, 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 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 (n o ), 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. 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 2n 2, 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 [3] [9] 8

9 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, m). [2] Om een idee te krijgen van de grootte van een atoom: op 1 mm 2 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 (m protonen kern + m neutronen kern + m elektronen = massa van één atoom). [3] [9] De massa van de elektronen is echter te verwaarlozen, omdat deze zo klein is. Het massagetal van een atoom is altijd weergegeven in de atomaire massa eenheid u. 1 u is gelijk aan 1, 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 [3] [9] elkaar op te tellen. 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] Figuur 3 - indeling metalen en niet-metalen 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 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

10 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- atoom Figuur 5 - een watermolecuul 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 10

11 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 [3] [9] van de elektronenwolk van een atoom bedoeld. 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 [3] [9] een atoom meerdere elektronen afstaan of opnemen. 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 Ca 2+. Wanneer een atoom twee elektronen opneemt wordt de lading 2 -, zoals het ion O 2-. De lading van een elektron wordt is namelijk -1 e (1 e is gelijk aan 1, 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 CO 2-3. Dit heet een samengesteld ion. Er bestaat ook een positief samengesteld ion, het NH + [3] [9] 4 -deeltje. 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 (Fe 2+ ) en het ijzer(iii)ion (Fe 3+ ). Ook bestaan er [3] [9] samengestelde ionen. Dit zijn geladen deeltjes die uit twee elementen bestaan. Samengestelde ionen zijn dus eigenlijk geladen moleculen. Hieronder staan een paar atomen en hun elektrovalentie [3] [9] : Symbool Elektrovalentie Naam ion Positieve ionen (enkelvoudig) 11

12 Ag 1+ zilverion Zn 2+ zinkion Cu 1+ koper(i)ion 2+ koper(ii)ion Positieve ionen (samengesteld) NH 4 1+ ammonium-ion Negatieve ionen (enkelvoudig) N 3- nitride-ion Cl 1- chloride-ion Negatieve ionen (samengesteld) OH 1- hydroxide-ion CO 3 2- 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) Metaalbindingen Figuur 6 - het ionrooster van NaCl Metaalrooster Figuur 7 - een uitvergroot 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 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

13 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 [3] [9] moleculen van slechts één soort. 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 [3] [9] in vloeibare toestand elektrische stroom geleiden, de metalen. 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

14 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 [29] [30] het voorgaande toegelicht zijn. 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 Dipool-dipoolbinding vanderwaalskrachten (vooral met de Keesomkrachten ). Beiden vallen echter in het niet wanneer zich tussen de moleculen ook waterstofbruggen [4] [9] Figuur 8 - een dipool-dipoolbinding voordoen. Hier wordt later verder op ingegaan. 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 [3] [9] etcetera) kunnen waterstofbruggen ontvangen. Waterstofbruggen (aangegeven met stippellijn) Figuur 9 - waterstofbruggen 14

15 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 In welke stof? sterkte Intramoleculaire bindingen Atoombinding Moleculaire stof Sterk Ionbinding Zouten Sterk Metaalbinding Metalen Meestal sterk Intermoleculaire bindingen Dipool-dipoolbinding Moleculaire stof Zwak Vanderwaalsbinding Moleculaire stof Zwak Waterstofbruggen Moleculaire stof Matig Ion-dipoolbinding Zouten 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 [3] [9] translateraal bewegen. 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

16 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: CH 4 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (l). De 2 voor H 2 O 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 (O 2 (g) ) en water (H 2 O (l)) in de verhouding 1:2 met elkaar. Deze verhouding wordt ook wel de molverhouding genoemd. Een mol is gelijk aan 6, (dit is de constante van Avogadro) deeltjes en kan dus gezien worden als een pakketje deeltjes. De index (zoals het getal 4 in CH 4 ) 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 H 2 O (l) H 3 O + (aq) + 16

17 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 H 2 O (l) 2 H 2 (g) + O 2 (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: Pb 2+ (aq) + 2 I - (aq) PbI 2 (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) + H 2 O (l) H 3 O + (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

18 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 V 0 berekenen door middel van V 0 (oxidator) - V 0 reductor. V 0 is de standaardelektrodepotentiaal, een maat voor de sterkte van een redoxkoppel. Een redoxkoppel is een geconjugeerd oxidator-reductorpaar, zoals bijvoorbeeld Cu 2+ en Cu +. De waarde van de standaardelektrodepotentiaal is ook te vinden in BINAS tabel 48. Een redoxreactie is aflopend wanneer geldt Δ V 0 0,3 V, zal niet verlopen wanneer geldt Δ V 0-0,3 V en een evenwichtsreactie wanneer geldt 0,3 V < Δ V 0 < 0,3 V. [4] [9] Een voorbeeld van een redoxreactie is: RED: Cu Cu e - [1x] OX: Fe 3+ + e - Fe 2+ [2x] + Cu + 2 Fe 3+ Cu 2+ 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

19 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] 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 O 2 en C 6 H 12 O 6, 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

20 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] 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, 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 (TiO 2 ) 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 (Al 3 O 2 ) Deze stof wordt in nanovorm veel toegepast in coatings, zoals krasvaste lak of schuurmiddelen. [32] Ceriumdioxide (CeO 2 ) 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] 20

21 Zinkoxide (ZnO) Nanodeeltjes zinkoxide komen vaak voor in zonnebrandmiddelen wegens hun uvbeschermende werking. Ook worden ze soms gebruikt in (andere) cosmetica. [32] Siliciumdioxide (SiO 2 ) 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] 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 [2] [8] dierlijke cellen. 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

22 Het celmembraan Figuur 19 - een fosfolipide 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 (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 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] 22

23 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

24 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 G 1 -fase, de S-fase en de G 2 -fase. Tijdens de G 1 -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 G 2 -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 Figuur 22 - de celcyclus spoelfiguur doordat er steundraden worden gevormd 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 De interfase, 2.3. de profase, 4. de metafase, 5. de anafase, de telofase 24

25 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) Gekoppelde nucleotiden: P N N P S S suikermolecuul (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

26 het RNA, maar van de stikstofbase uracil (U). Op de functie van RNA wordt later nog verder [7] [8] ingegaan. 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) [7] [8] en de andere streng juist andersom, moet de andere streng ook iets anders verlopen. 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] 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 26

27 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 [7] [8] de helixen van het DNA zich weer. 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 celcyclus. [8] 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 G 1 - en de G 2 -fase van de 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

28 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 [7] [8] reactie genoemd. 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

29 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 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

30 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 [bijlage 6] gehouden door vanderwaalskrachten. 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

31 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 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 Zigzag m=n Armchair Andere Chiraal situaties 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

32 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 Figuur 38 - nanobud 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 Figuur 39 - nanotorus nanobuisjes. [51] 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 Pa en dus ook aan N/m 2. Dit is te vergelijken met een voorwerp met een oppervlakte van 1 m 2, van 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

33 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

34 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 [bijlage 7] to 6,6 nm. Er zitten dus buisjes van verschillende lengte in onze oplossing(en). 34

35 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 +/ Hz tot +/- 800 MHz. [53] 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

36 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 [2] [8] [56] richting voortgestuwd worden. Figuur 45 - het bloedvatenstelsel 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 [2] [8] [54] hartkleppen. 36

37 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 [2] [8] [55] hebben. 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

38 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 CO 2 -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 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] 38

39 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

40 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

41 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

42 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% CO 2 ) 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

43 Figuur 52 - telraam voor het tellen van cellen Neubauer slide 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 mm 3 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

44 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, µg/ml (zie de tabel 4). De eindconcentratie van 5, 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

45 Oplossing MCNT-oplossing Triton x positieve controle 5, µg/ml 0,5% in oplossing 2 5, µg/ml 0,05% in oplossing 3 5, µg/ml 0,005% in oplossing 4 5, µg/ml 0,0005% in oplossing 5 5, µg/ml 0,00005% in oplossing 6 5, µg/ml 0,000005% in oplossing 7 5, µg/ml 0, % in oplossing 8 negatieve controle (medium) 0 µg/ml 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

46 46 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.

47 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

48 Concentratie 7 Concentratie 8 (negatieve controle) Triton- reeks (T1) Concentratie 1 (positieve controle) Concentratie 2 Concentratie 3 Concentratie 4 Concentratie 5 Concentratie 6 48

49 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

50 Concentratie Proef 3 MCNT-reeks (C3) Concentratie 3 Concentratie 4 Concentratie 5 Triton-reeks (T3) Concentratie 3 Concentratie 4 50

51 Concentratie Resultaten in tabel Proef 1 C1 conditie cellen T1- conditie cellen Concentratie 1 Dood Dood Concentratie 2 Dood Dood Concentratie 3 Nauwelijks levende cellen Meer levende cellen dan bij concentratie 3 van C1 Concentratie 4 Paar levende cellen Levend, goede conditie Concentratie 5 Levend, goede conditie Geen cellen in well Concentratie 6 Levend, goede conditie Levend, goede conditie Concentratie 7 Levend, goede conditie Levend, goede conditie Concentratie 8 Levend, goede conditie Levend, goede conditie Tabel 5 - resultaten proef 1 Proef 2 C2 conditie cellen T2- conditie cellen Concentratie 1 Dood Dood Concentratie 2 Dood Dood Concentratie 3 Nauwelijks levende cellen Stuk meer levende cellen dan bij concentratie 3 van C2 Concentratie 4 Veel levende cellen Prima conditie, meer levende cellen dan bij concentratie 4 van C2 Concentratie 5 Levend, goede conditie Levend, goede conditie, wel minder cellen dan bij concentratie 5 van C2 Concentratie 6 Levend, goede conditie Levend, goede conditie Concentratie 7 Levend, goede conditie Levend, goede conditie Concentratie 8 Levend, goede conditie Levend, goede conditie Tabel 6 resultaten proef 2 Proef 3 C3 conditie cellen T3- conditie cellen Concentratie 1 Dood Dood Concentratie 2 Dood Dood Concentratie 3 Aantal levende cellen Ongeveer zelfde aantal cellen als bij concentratie 3 van C3 Concentratie 4 Aantal levende cellen Levend, goede conditie, veel 51

52 Concentratie 5 Meer levende cellen dan bij concentratie 4, maar nog niet zoveel als bij concentratie 6 cellen! Levend, goede conditie Concentratie 6 Levend, goede conditie Levend, goede conditie Concentratie 7 Levend, goede conditie Levend, goede conditie Concentratie 8 Levend, goede conditie Levend, goede conditie Tabel 7 resultaten proef Berekening aantal ml oplossing met cellen Wij willen dat iedere well (een well heeft een inhoud van 50 µl) ongeveer cellen bevat /0,05 ml = Dit betekent dat er in totaal 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: ( ) 3 = 118 cellen Dit aantal cellen is geteld in van 1 mm x 1 mm x 0,1 mm = 0,1 mm 3 oplossing met cellen. Omdat 1 mm 3 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 = cellen (gemiddeld) Omdat wij 2 ml oplossing gaan gebruiken hebben wij dus gemiddeld (2 x =) cellen in totaal te verdelen. Dit betekent dus dat wij ongeveer / = 10 ml oplossing met cellen nodig hebben om onze wells allemaal van vaatwandendotheelcellen te kunnen voorzien. 52

53 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, µg/ml en 5, 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, 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, µg/ml in aanraking zijn gekomen, aangetast zijn door celdood. Vanaf een concentratie kleiner dan 5, 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, µg/ml is met zekerheid te zeggen dat de celdood is 53

54 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, µg/ml tot 5, 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, µg/ml en 5, 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

55 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, µg/ml en 5, 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 MCNT Triton x positieve controle 6, µg/ml 0,5% in oplossing 2 5, µg/ml 0,05% in oplossing 3 4, µg/ml 0,005% in oplossing 4 3, µg/ml 0,0005% in oplossing 5 2, µg/ml 0,00005% in oplossing 6 1, µg/ml 0,000005% in oplossing 7 0, µg/ml 0, % in oplossing 8 negatieve controle (medium) 0 µg/ml 0% in oplossing Tabel 8 concentraties van de oplossingen in het vervolgonderzoek Het beginnen met de concentratie 6, 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, 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

56 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

57 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

58 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 (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

59 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 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

60 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: De armoede halveren en minder mensen honger Het percentage mensen dat in extreme armoede leeft, moet in 2015 gehalveerd zijn ten opzichte van 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 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 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 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] 60

61 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 [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 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 CO 2 -equivalenten uitstoten. Een land kan deze CO 2 -equivalenten van elkaar overkopen om meer uit te kunnen stoten zonder maatregelen tegen CO 2 -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 CO 2 -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

62 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

63 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

64 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 [6] [63] van zou kunnen zijn, is (nog) niet bekend. 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 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

65 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

66 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 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 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 Figuur 55 - financiering nanotechnologie Bron: AGNL (de financiering voor de periode 2011 tot en met 2015) 66

67 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

68 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 [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

69 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

70 70 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.

71 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 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 [bijlage 4] ondervraagden denkt veel te weten over nanotechnologie : niets 2: niets tot weinig 3: weinig 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

72 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 Jn Jm Mn Mm Goed Fout Figuur 57 - wat is nanotechnologie? (vraag 6) Natuur Maatschappij Goed Fout 8% Goed Fout 32% 92% 68% 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 Ja Nee 0 Jn Jm Mn Mm Figuur 60 Lijkt het je interessant/leuk om wat over nanotechnologie te leren? (vraag 4) 72