ProPack

В романа си „Фантастично пътешествие“ Айзък Азимов описва как хората усвояват процеса на миниатюризация до степен, позволяваща им да смалят цяла подводница заедно с екипажа до размерите на вирус, след това да я инжектират в кръвоносната система на човек и с нейна помощ да унищожат смъртоносен тромб в мозъка му. И днес, както по времето, когато романът е написан, миниатюризацията съществува единствено във фантазия­та на хората. Командването и оперирането на обекти с миниатюрни размери от порядъка на няколко десетки на­нометра обаче вече е реалност за съвременната наука. През последните години хората изобретяват методи, които им позволяват да изследват и боравят с матери­ята на атомно равнище. Технологията към момента позволява на учените да подреждат атомите в две измере­ния подобно на кубчета за игра. Мечтата им е един ден да могат да манипулират материята така, че да имат на практика неограничени възможности за строеж на материали и конструкции с най-различен размер — от ми­ниатюрни до гигантски.

Що е нанотехнология

Нанотехнологията е метод за контролиране на матери­ята на атомно ниво за производството на материали с несъществуващи в природата свойства. Една от цели­те и е да се придадат уникални свойства на наглед обик­новени предмети от бита, в това число и на опаковки­те. Всъщност, ако опаковъчните специалисти подходят по правилния начин към темата, може да предизвикат революция в целия бранш, сравнима с промените, настъ­пили след откриването на методите за стерилизация и пастьоризация на храните. Наночастиците не са нещо, което е измислено от човека. В природата този микро­космос съществува най-малко от времето на появата на първите живи организми на земята. Тялото на всеки един от нас представлява невероятно сложна машина, в която непрекъснато се извършват процеси на молеку­лярно равнище. Млякото и кръвта например се класифи­цират като нанофлуиди. Червените кръвни телца по сво­ята същност работят на нанопринципи, а целта им е да захващат стабилно и да пренасят молекулите на кислорода и на въглеродния диоксид до съответните органи на тялото.

Малко история

Изкуствените нанокомпозити се появяват за пръв път през 50-те, а полиамидните нанокомпозити се създават в средата на седемдесетте години на миналия век. В на­чалото на 80-те лабораториите на Тойота създават си­ликатните композитни материали, покрити с полимерни слоеве. Това се случва по времето, когато технология­та започва да се проучва по-сериозно и учените започ­ват да откриват начини за моделиране на материята на атомно ниво. Най-използван в онези години е тъй нареченият монтморилонит — наноглина с естествен про­изход, която се добива сравнително евтино и е с доказа­ни качества.

За огромния потенциал на нанотехнологиите гово­рят удивителните свойства на някои наноматериали. Въглеродните нанотръби са нещо като Супермен на на­носвета. Те са по-твърди от диаманта, по-издръжливи от стоманата и значително по-леки от алуминия. Днес вече съществуват нанопокрития, чиято цел е да пред­пазват стъклените, метални и пластмасови повърхности.

С прехода към глобална икономика пред опаковането на храните са поставени и по-високи изисквания като по-дълъг срок на годност и методи за следене на меж­дународните стандарти за качество. Наноструктура­та на опаковките позволява промяна в бариерните им свойства. Регулирането на количествата вода и газо­ве, минаващи през стената на опаковката, води до повишаване качествата на съхраняваните меса, плодове, зеленчуци, напитки и пр. Наноматериалите повишават значително здравината и физическата устойчивост на опаковките. Определени иновации на микрониво могат да доведат до невероятни подобрения в опаковането на храни по отношение откриването на патогенни органи­зми в храната, създаването на „умни и активни“ опаков­ки, бариерните и механичните свойства на самата опа­ковка. Опаковката, която включва наноматериали, може да отговаря адекватно на изискванията на средата, да се поправя сама или да предупреждава потребителя за замърсяване и присъствие на болестотворни организми.

Според проучване от iRAP Inc. общият пазар на нано­опаковане за храни и напитки през 2008 г. в САЩ е бил 4,13 млрд. долара Прогнозите са до 2014 г. растежът да достигне 7,3 млрд. долара при средногодишен ръст от 11,65%. Активните технологии представляват най-голе­мия дял от пазара и ще продължат да нарастват в пери­ода до 2014 г. с 4,35 млрд. долара, а сегментът на инте­лигентното опаковане се очаква да достигне 2,47 млрд. долара.

Примери за наноопаковане

Въглеродни нанотръби. Това са цилиндри с диаметър от няколко нанометра, които могат да се използват в опа­коването на храни с цел подобряване на механичните им свойства. Наскоро бе открито, че въглеродните нано­тръби притежават силни антибактериални свойства. Бактериите от вида E.coli умират веднага при директен контакт с образувания, формирани от въглеродни нанот­ръби. Базираните на нанотръбите приложения се използ­ват и поради свойствата им, гарантиращи електроста­тично отблъскване. Нанооксидите и нанометалите се използват при създаването на устойчиви на надраскване филми, а базираните на наноглините материали повиша­ват значително бариерните свойства на материалите.

Наносензори. Чрез тях могат лесно да се установят патогени, токсини и химикали в храните. Учени от Уни­верситета в Пенсилвания и Центъра за химически проуч­вания в Монел създават въглеродни тръби с наноразмери, покрити с нишки от ДНК, и така образуват наносензо­ри, които имат способността да разпознават миризми и вкусове. Наносензорите се използват и при т.нар. елек­тронен език. Този уред е разработен с цел да установи химически вещества в невероятното съотношение от 1:10¹². Те могат да послужат като механизъм за старти­ране на химическа реакция, която да доведе до промяна в цвета на опаковката. По този начин потребителят ще бъде надлежно уведомен, че храната е развалена.

Радиочестотни идентификатори (RFID). Те могат да бъдат вложени дори в единични опаковки за храни в неда­лечно бъдеще. Едно от предимствата им е, че не изис­кват пряка видимост към носителя на информация като баркодовете. Технологията позволява регистрацията на хиляди етикети в секунда.

Наноколела. Допринасят за подобряване на опаковки­те за храни. Тези молекули са вградени в пластмасите с цел да се повишат бариерните и механичните им харак­теристики.

Нановезикули. Притежават способността да дола­вят присъствието на патогени като Е.coli, бактериите на листерията и салмонелата. Тъй наречените липозом­ни нановезикули се използват и за установяване на алер­гизиращите протеини в ядките.

Биочипове с ДНК. Те се разработват от известно време с цел по-успешно засичане на патогени. Въглерод­ната нанотръба служи за трансмитер, докато единична нишка от ДНК служи за сензор.

Наноглините показаха най-голяма търговска жизне­ност благодарение на по-ниските разходи за производ­ството им и полезността им при обикновените тер­мопластмаси като полипропилена (PP), термопластич­ния полиолифен (TPO), PET, PE, PS и найлон. Глините са направени от милиони малки плочици, които се приплъз­ват една върху друга. Така се образуват материали, през които молекулите на газовете не могат да преминат.

Сребърните наночастици са друг вид на тази техно­логия. От Nivea вече използват сребърен цитрат в една от линиите дезодоранти. Среброто е известно с ан­тибактериалните си свойства от векове. 2500 години пр.Хр. асирийците са използвали сребърни контейнери за носене на водата. Бедуините все още поставят в сре­бърни контейнери меховете си за вода, за да я запазят прясна по-дълго време.

Обхват на приложение

Наноопаковките имат най-много приложения при храни­телните продукти, печивата и месните продукти. При течните храни те доминират в секторите на газирани­те напитки и бутилираната минерална вода. Днес комер­сиални приложения на наноопаковането се прилагат при кислородните абсорбери в опаковките с нарязано месо, готовите за консумация меса и бира. От наноматери­али се правят и част от влагоуловителите в прясното месо и рибата. Те се използват и за улавяне на молекули­те етилен при опаковането на плодове и зеленчуци. Тези системи са разработени и прилагани най-вече в страни­те от Азия и САЩ. На Стария континент те все още са слабо разпространени. Основната причина за това са законовите рестрикции и липсата на информация за степента на приемане на тези технологии от европей­ските консуматори, както и за ефикасността и икономи­ческото и екологично влияние на тези системи. Европей­ският проект Actipak ще се заеме с проблема в близкото бъдеще.

Ако нанотехнологиите продължат да се развиват със сегашното темпо, загрижените за околната среда евро­пейски потребители скоро ще могат да задраскат нере­циклируемото опаковане от своите списъци с покупки. Европейски изследователи работят за намаляване на въ­глеродните емисии с базирано на естествените фибри интелигентно опаковане. Някои от пластмасите и ма­териалите, които се разработват, комбинират в себе си по-скоро екзотични материали като молекули, изграж­дащи екзоскелетите на раците и ракообразните, части­ци глина и фотосензорни наночастици, образуващи орга­нични екрани, които да бъдат използвани за комуникаци­онни нужди. Проектът се движи основно от експерти по материалите от университета Шефилд Халам, които работят заедно с 35 други изследователски института и партньори от тринадесет европейски страни в проек­та SustainPack. Авторите на проекта твърдят, че той има потенциала да промени опаковането в световен ма­щаб. Целта е да бъде разработено цялостно ново устой­чиво опаковане. Това ще стане посредством разработ­ването на базирани на фибрите опаковки, към които ще са добавени биоразградими и наноматериали. Целта на SustainPack е да окуражи широкото използване на тра­диционните натурални опаковъчни продукти чрез произ­водство на лесно разградимо, възобновимо и рециклиру­емо опаковане, базирано на биополимерите, хартията и картона. Основната идея тук е опаковането да бъде во­доустойчиво, така че да се намали нуждата от използва­нето на петролни продукти. Учените, работещи по про­грамата SustainPack, се стремят да направят тези въз­обновими материали индустриален стандарт до 2015 г.

Някои опаковъчни приложения

Учени от университета Кейс Уестърн Ризърв откриват, че оформеният във вид на нанослоеве полиетиленов ок­сид (PEO) наподобява по свойства големите непроница­еми единични кристали. По този начин количествата газ, които преминават през стените на базираните на по­лимера приложения, намаляват с над 99%. Чрез използва­не на нов цикличен процес на коекструдиране и мултип­лициране на полимерите екипът успява да създаде нова прогресивно изтъняваща наноструктура, като по този начин се пести материал. Процесът е стъпка към разра­ботване на по-гъвкав и оптично прозрачен тип полимери с много високи бариерни характеристики. Екип от уни­верситета Уоруик обяви, че са създали нов процес, в кой­то се включва поставяне на слой полимер с наночастици, базирани на силиция. Този продукт има потенциала да уве­личи свойствата на чувствителните към допир залепва­щи се етикети, покрития на водна основа и биоразгра­дими материали. Новоразработената технология може да бъде прилагана много успешно към многослойното би­оразградимо опаковане, тъй като може да придаде до­пълнителна здравина и високи бариерни характеристики срещу вода чрез добавянето на покритие от наночасти­ци. Процесът не вреди на „зеления“ профил на тези биома­териали, тъй като базираните на кварца частици се до­биват от пясък и от глина.

Друго обещаващо нанотехнологично приложение е ма­териалът Durethan, от който се правят част от опаков­ките на лекарствата на Bayer. Това е филм, който е обо­гатен със силикатни наночастици, които намаляват ко­личеството на навлизащия в опаковката кислород, други газове и влага. Производителите от Nanocor са разрабо­тили и нанокристали, които да бъдат използвани в нано­композитните пластмасови бирени бутилки. Този мате­риал минимизира загубите на въглероден диоксид и навли­зането на кислород в бирените бутилки.

Оксо-интелигентното мастило е друг пробив в опа­коването и допълнително засилва позициите на наноте­хнологиите. Тези мастила използват нанотитанов диок­сид — биологично и химически инертен пигмент, който намира приложение в храните, слънцезащитните кремо­ве и боите. В случая се прилага за отбелязване на време­то, изминало след отваряне на опаковката.

Метално-органичните рамки (MOF) са прецизно под­редени кристали с решетъчна структура, които ефек­тивно могат да улавят газове и малки молекули. Обикно­вено те са направени от базирани на петрола състав­ки, но и от микроабсорбиращи кристали, известни още като природни MOF наноструктури. Проблемът на при­родните рамки се състои в това, че като цяло не са си­метрични, което им пречи да кристализират във високо­подредени, шупливи структури. Решение било намерено чрез използването на сложна захарна молекула, добивана от скорбяла. Образувалите се структури били изключи­телно правилни и можели да се разграждат. Те се оказали напълно смилаеми и били годни дори за директна консума­ция, макар и с неприятен според учените вкус.

Страхът от нанотехнологиите

В Европа рамката за оценка на риска в нанотехнологи­те — както много други неща, свързани с технология­та — е все още в младенческа възраст. Това обаче не œ пречи да се развива с бързи темпове. Миналата година ЕFSA поставя основите на всеобхватна система, която да служи за рамка за оценяване на риска при нанотехно­логиите. Както можеше да се очаква обаче, много поло­жения в документа останаха неуточнени поради липса­та на научна информация. EFSA заключава, че трябва да бъдат предприети действия за разработването на ме­тоди, с които да бъдат установявани и измервани нано­материали в храните и биологичните тъкани, за да мо­гат адекватно да оценят степента на риск от новите технологии и да провеждат токсикологични проучвания. Все още липсват аналитични методи, които са способ­ни да идентифицират наночастиците в такива сложни материали като храните. Нанотехнологиите предпо­лагат навлизане в области, където имаме ограниченипознания.

Проблемът е, че на атомно ниво старите механич­ни модели, използвани за описание на по-големи обекти и тяхното поведение, вече не са изцяло приложими. На­ночастиците невинаги имат поведение, което отгова­ря на законите на квантовата механика. Понякога те по­падат в т.нар. „сива зона“ на теорията, в която нивата на неопределеност са високи. Нанотехнологиите могат да доведат до нови рискове за здравето, тъй като това е една област, в която нашите знания за защитните ре­акции на имунната система са много оскъдни. Оказва се, че въглеродните нанотръби причиняват точно същи­те вреди като азбеста, а въглеродните наноклъстери в малки концентрации причиняват увреждания на мозъка при рибите. Освен това различни изпитвания, извърше­ни върху един и същ наноматериал, могат да дадат раз­лични резултати в токсикологичните проучвания. Иден­тичните в структурно отношение наноматериали, про­извеждани от различни производители или чрез различни производствени процеси, могат да имат различни свой­ства. Всичко това изисква по-добро изучаване. Интере­сен е фактът, че от много години съществуват нано­технологични разработки, които още не са влезли в упо­треба поради потенциалните рискове за здравето на хората. Такъв пример са материалите, които могат да улавят алергизиращите молекули на ядките в шоколадо­вите изделия.

Вероятно след като навлязат масово в живота ни, наноматериалите ще се превърнат в една от основни­те причини за страховете ни. Тези страхове ще принуж­дават институциите да притискат компаниите за съз­даването на ясни закони и правила за използването на но­вите технологии. Не е изключено нанотехнологиите да се превърнат в следващия повод за яростни протести, подобни на негативната реакция срещу генномодифици­раните храни. Това, по което си приличат двете техно­логии, е тяхната невидимост за човека, който няма се­тивата, които да му помогнат да се увери, че дадена стока е безвредна. На това ниво инстинктите ни не ра­ботят — не можем да се уверим, че даден наноматери­ал е безопасен, просто като сдъвчем парче от него. От друга страна, хората вече са наплашени от антиутопич­ните сценарии, в които орди нанороботи унищожават всичко, което се изпречи на пътя им. Част от привър­жениците на технологията не намират подобен сцена­рий за реалистичен. Аргументът им е, че щом човечест­вото успешно се е справило с реалната заплаха да бъде унищожено в ядрения ад, то бихме се справили също тол­кова успешно и с рисковете на новите технологии като биоинженерството, новите химични разработки и в ма­нипулирането на материята на базисно ниво. Но те за­бравят, че за разлика от ядрените технологии в бъдеще нанотехнологиите ще бъдат прилагани от множество компании, чиято цел ще бъде основно комерсиална. Шан­сът технологията да попадне в недобросъвестни ръце също нараства. Днес голямото предизвикателство, ко­ето стои пред тази млада и много перспективна индус­трия, е да се убедят потребителите, че нанотехноло­гиите имат фантастичен потенциал за развитие. За­това учените и компаниите трябва да предоставят на потребителите възможно най-пълната информация за ефектите от нанотехнологиите и новите насоки на тяхното развитие.