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Nanotechnologie

Wassertropfen auf Kapuzinerkresse
Durch die Beschichtung mit Nanopartikeln werden Oberflächen selbstreinigend. Dieser "Lotuseffekt" kommt auch in der Natur vor. Foto: Michael Gasperl

Neuer Hype oder alter Hut?

Wenn man den Begriff nicht zu eng fasst, dann sind nur der Name und die heutigen Möglichkeiten neu an der Nanotechnologie. Nanopartikel, also feinste Teilchen, die auch unter sehr guten Lichtmikroskopen nicht zu sehen sind, nutzt der Mensch hingegen schon sehr lange. So haben bereits die Ägypter vor rund drei Jahrtausenden Tinte mithilfe von Rußteilchen hergestellt, die nur etwa 20 Nanometer oder anders ausgedrückt 20 Milliardstel Meter groß sind. Im Mittelalter hat man rot gefärbtes Glas für Kirchenfenster mit "nanofeinen" Goldteilchen angefertigt. Und schon in den 1920er Jahren wurden Autoreifen mit winzigen Teilchen amorphen Kohlenstoffs beschichtet und damit leistungsfähiger gemacht. Erst mit der einsetzenden "Nano-Euphorie" erhielten dann längst auf dem Markt befindliche Produkte die Vorsilbe "nano".

Aber was ist dran an der Nanotechnologie und was löst die aktuelle Popularität der Thematik aus? Zunächst einmal ist zu klären, was Nanotechnologie überhaupt ist. Nanotechnologie befasst sich, allgemein gesprochen, mit Strukturen, die unterhalb einer Größe von 100 Nanometern, beziehungsweise 0,1 Millionstel Metern, liegen. Dies sind Dimensionen, die sich von einem klassischen Lichtmikroskop nicht mehr darstellen lassen, sondern nur mit modernen hochleistungsfähigen Elektronenmikroskopen für das menschliche Auge sichtbar gemacht werden können. Damit ist auch schon ein Großteil der Erklärung gegeben, warum Nanotechnologie im engeren Sinn ein Resultat unserer heutigen Zeit ist.

Obwohl es bereits früher Nanoteilchen gab und der Mensch sie für seine Zwecke mehr oder weniger gezielt eingesetzt hat, schufen erst die relativ neuen technischen Entwicklungen, wie das Rasterelektronenmikroskop, die Voraussetzungen für weitere technische Fortschritte im Reich der Zwerge ("Nano" von altgriechisch "Zwerg"). In diesen Dimensionen verändern sich die Eigenschaften von Materialien mitunter radikal: Stoffe, die den elektrischen Strom normalerweise nicht leiten, können in der Nanodimension hervorragende Leiter sein, chemisch nicht reaktionsfähige Stoffe können höchst reaktiv werden, Farbe, Härte etc. sind anders als bei Materialien unserer Wahrnehmungswelt.

Dies hängt damit zusammen, dass die Oberfläche von Nanopartikeln im Vergleich zu ihrer Masse gigantisch zunimmt und sich viel mehr Atome an dieser Oberfläche befinden, welche das Material wiederum viel reaktiver machen können. Ein weiterer entscheidender Aspekt für das im Vergleich zu größeren Materialeinheiten andere Verhalten von Nanomaterialien ist, dass auf der Ebene von einzelnen Molekülen und Atomen die physikalischen Gesetzmäßigkeiten unserer Anschauungswelt quantenphysikalischen Effekten weichen.

Es liegt auf der Hand, dass sich die Nanotechnologie nicht einer einzelnen Disziplin wie beispielsweise der Chemie oder Physik, zuordnen lässt. Sie ist vielmehr ein Überbegriff oder eine Plattform für eine Vielzahl von Anwendungen und Produkten, die disziplinübergreifend entwickelt werden.

Moderne Anwendungen der Nanotechnologie

Es ist keine Frage: Derzeit herrscht "Goldgräberstimmung" in Wissenschaft, Technik und Industrie, was die Nutzungspotenziale der Nanotechnologie betrifft. Es vergeht kaum ein Tag, an dem nicht eine Nachricht in den Medien zu finden ist, die schier unglaubliche Möglichkeiten der Nanotechnologie preist. Viele dieser Möglichkeiten, sei es die Lösung unserer Energieprobleme oder die gezielte Zerstörung von Krebstumoren mittels Nanomaterialien, sind jedoch noch Zukunftsmusik.

Dennoch ist die Nanotechnologie bereits in erheblichem Umfang in unsere alltägliche Umgebung vorgedrungen, wenngleich zu bemerken ist, dass nicht überall wirklich "Nano" drin ist, wo "Nano" drauf steht. Dabei sind die gegenwärtigen Produkte in der Regel nicht annähernd so spektakuläre wie die "Nanovisionen", welche häufig durch die Medien vermittelt werden. Eine wichtige Anwendung von "Nanoprodukten" ist schon heute die Materialbeschichtung. Gegenstände werden dadurch entweder kratzfest oder selbstreinigend (Lotuseffekt).

Viele Sonnencremes enthalten nanoskaliges Titandioxid als Schutzschild gegen die UV-Strahlen der Sonne. Es sind auch mittlerweile Kühlschränke auf dem Markt, deren Innenfläche mit "Nanosilber" vergütet ist und diese antibakteriell wirken lässt. "Nanosilber" wird seit längerem auch in der Medizin verwendet, beispielsweise als Beschichtung von antiseptischen Wundverbänden. Erste funktionelle Lebensmittel auf Basis von nantechnologisch entwickelten Containern, die Wirkstoffe im Körper gezielter an den Ort des Bedarfs bringen oder allgemein deren Bioverfügbarkeit erhöhen sollen, sind ebenfalls bereits auf dem Markt. Und, last but not least, sind moderne Computerprozessoren oft so klein, dass sie aufgrund obiger Definition in den Bereich der Nanotechnologie fallen.

Chancen und Risiken durch Nanotechnologie und Nanoteilchen

Zweifelsfrei bietet die Nanotechnologie vielfältige Möglichkeiten und Potenziale für Fortschritte und für Verbesserungen unserer Lebenswelt. Allerdings ist die Nutzung solcher Technologien nicht ohne Risiken für Mensch und Umwelt. Einige Gefährdungen sind bereits gut untersucht, da nanoskalige Teilchen natürlicherweise beispielsweise bei Waldbränden oder Vulkanausbrüchen auftreten oder im Bergbau die Berufskrankheit Silicose (Staublunge) auslösen. Auch mit Blick auf die gesundheitlichen Auswirkungen von Feinstaub, der ebenfalls Nanoteilchen enthält, liegen hinreichend Belege für dessen Schädlichkeit vor, so dass weitreichende rechtliche Maßnahmen, wie lokale Fahrverbote für bestimmte Fahrzeuge, zum Schutz des Menschen ergriffen werden.

Über mögliche Risiken neuerer nanotechnologischer Entwicklungen, die bereits auf dem Markt sind oder vor der Markteinführung stehen, ist oft weit weniger bis gar nichts bekannt. Vereinfacht gesagt, ist der technologische Vorteil von nanoskaligen Strukturen und Teilchen, nämlich ihre Winzigkeit, auch zu deren Nachteil, wenn es um den Schutz der Umwelt oder der Gesundheit geht: Sie sind so klein, dass sie die natürlichen Schutzschilde von Lebewesen, wie Haut, Darm, Plazenta, Blut-Hirnschranke oder gar Zellwände und -membrane, durchdringen und so zu entzündlichen Reaktionen oder weit Schlimmerem führen können. Ein weiteres Problem kann sich aus den auf "Nanoebene" veränderten physikochemischen Eigenschaften ergeben, wie beispielsweise durch die veränderte Reaktivität, die nicht aus entsprechenden Eigenschaften von größeren Gefügen desselben Materials abgeleitet werden kann.

Toxikologen, die angesichts der Nanotechnologie eine neue Disziplin gründeten, die Nanotoxikologie, mahnen denn auch zur Vorsicht im Umgang mit dieser Technologie. So konnte zum Beispiel in einem Tierversuch mit Fischen, die geringen Mengen an kleinsten Kohlenstoffteilchen, so genannten C60-Fullerenen, ausgesetzt wurden, gezeigt werden, dass die Gehirne der Tiere durch diese Partikel geschädigt wurden. Verständlicherweise geht eine mögliche Gefährdung weniger von solchen Nanopartikeln aus, die in einem festen Materialverbund, beispielsweise als Oberflächenbeschichtung vorliegen als von ungebundenen, freien Nanopartikeln, die zu einer Exposition des Menschen und der Umwelt führen können.

Die Risikoforschung steht hier noch am Anfang und hinkt der rasanten Entwicklung von „Nanoprodukten“ weit hinterher.

Seit Dezember 2014 ist eine vom EU-Parlament verabschiedete Kennzeichnungspflicht für Lebensmittel wirksam, die sich auf den Einsatz von Nanomaterialien bezieht. Laut Lebensmittelinformationsverordnung müssen ab diesem Zeitpunkt alle Lebensmittel, die Nanomaterialien enthalten, eindeutig gekennzeichnet werden. Im Zutatenverzeichnis folgt auf die Bezeichnung solcher Zutaten das in Klammern gesetzte Wort „Nano“. Nach Kosmetika sind Lebensmittel die zweite Produktgruppe, bei der gekennzeichnet werden muss, ob sie Nanomaterialien enthalten. In vielen anderen Produkten, wie Reinigungsmitteln, Baumaterialien oder Kleidung, können Nanomaterialien jedoch weiterhin eingesetzt werden, ohne dass der Verbraucher es weiß.


Letzte Aktualisierung: 06.08.2015