Nanowerkstoff

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Nanopartikel oder Nanoteilchen bezeichnen einen Verbund von wenigen bis einigen tausend Atomen oder Molekülen. Der Name bezieht sich auf ihre Größe, die typischerweise bei 1 bis 100 Nanometern liegt. Ein Nanometer entspricht 10⁻⁹ = 0,000 000 001 Meter. Die Vorsilbe „nano“ leitet sich aus dem Griechischen „nanos“ für „Zwerg“ oder „zwergenhaft“ ab.

Nanopartikel können sowohl auf natürlichem Wege (etwa Vulkanausbruch oder Waldbrand) als auch durch anthropogene (vom Menschen verursachte) Einflüsse, wie Kfz- und Industrieabgase, in die Umwelt gelangen.

Synthetische Nanopartikel sind künstlich hergestellte Teilchen, die gezielt mit neuen Eigenschaften und/oder Funktionalitäten ausgestattet sind, wie z. B. elektrische Leitfähigkeit, chemische Reaktivität. Synthetische Nanopartikel können entsprechend ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften untergliedert werden. In der Forschung und Anwendung weit verbreitete Gruppen sind:

• Kohlenstoffhaltige Nanopartikel
• Metall- und Halbmetall-Oxide (Siliciumdioxid (SiO₂), Titandioxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Eisenoxid (Fe₂O₃) oder (Fe₃O₄), Zinkoxid (ZnO) sowie Zeolithe und andere auf Silizium basierende mesoporöse Materialien wie MCM-41 oder SBA-15
• Halbleiter (Cadmiumtellurid (CdTe), Cadmiumselenid (CdSe), Silizium)
• Metalle (Gold (Au), Silber (Ag), Eisen (Fe))
• Metallsulfide
• Polymere wie Dendrimere und Blockcopolymere

Kohlenstoffhaltige Nanopartikel können in unterschiedlichen Formen vorliegen:

• Fullerene
• Nanoröhren
• Carbon black (Rußpartikel)

Während Fullerene und Nanoröhren synthetisch hergestellt und daher in ihrer Struktur klar definiert sind (z. B. Buckminster-Fulleren aus 60 Kohlenstoffatomen), versteht man unter Carbon black lediglich sehr kleine Kohlenstoffteilchen, die z. B. auch bei Verbrennungsprozessen entstehen können.
Für Nanopartikel gibt es viele mögliche Anwendungsgebiete. So könnten sie z. B. zur Verbesserung diverser Materialien im Haushalt genutzt werden. In der Medizin könnte man mit Hilfe von Nanopartikeln einen zielgerichteten Transport von Medikamenten im Körper oder eine schonendere Form der Krebstherapie erzielen. Auch in der Elektrotechnik könnten Nanopartikel dazu beitragen, z. B. leistungsfähigere und kleinere Computer zu ermöglichen. Doch auch der militärische Nutzen von Nanopartikeln ist groß, so könnten sie z. B. zur Entwicklung intelligenter Waffen genutzt werden.

Das hohe Nutzenpotential hat einen drastischen Anstieg in Herstellung und Anwendung der unterschiedlichsten Arten von Nanopartikeln zur Folge, doch es eröffnet sich auch ein breites Spektrum an möglichen Gefahren für uns und unsere Umwelt.
Nanopartikel können auf Grund ihrer kleinen Ausmaße über die Haut, die Atemwege und über den Magen-Darm-Trakt in den Körper aufgenommen werden und verteilen sich dort über den Blutkreislauf im gesamten Organismus. Die Ablagerung von Nanopartikeln in bestimmten Geweben und Organen und deren potentielle Fähigkeit, Radikale zu bilden, kann möglicherweise zu akuten Zell- und Organschädigungen führen. Der Kontakt mit synthetisch hergestellten Nanopartikeln erfolgt entweder über die Verwendung nanopartikelhaltiger Produkte (wie einige Sonnencremes, bestimmte antimikrobielle Desinfektionssprays, etliche Farben und Lacke, etc.) oder durch Exposition bei der Herstellung im Labor. Dies kann entweder aufgrund von Unfällen oder mangelnden Sicherheitsvorschriften geschehen. Die Gefahr des Eintrags von Nanopartikeln in die Natur und somit in Nahrungsketten birgt zur Zeit unabschätzbare Risiken für alle Lebewesen, die mit den Partikeln in Kontakt kommen. Es ist noch äußerst unklar, welche Wirkung Nanopartikel auf Pflanzen und Tiere und dementsprechend auf Gewässer, Böden und andere Lebensräume haben. Allerdings geben aktuelle Studien in diesem Bereich Grund zu der Annahme, dass sich die Ablagerung und Reaktivität der Partikel auch in negativer Form auf exponierte Organismen auswirkt.

Es ist demzufolge eine deutlich intensivere und vor allem kritischere Forschung notwendig, sodass ein verantwortungsvoller Umgang mit der Nanotechnologie und ihrer potentiellen Gefahren ermöglicht werden kann.

Um die möglichen Gefährdungen, welche von den Nanopartikeln während ihrer Herstellung, Verwendung und Entsorgung für die Umwelt ausgehen, abschätzen zu können, wurde die Nanoökotoxikologie etabliert. Sie entstand neben der bis dahin bereits bestehenden Ökotoxikologie, da Nanopartikel neuartige chemische und physikalische Eigenschaften aufweisen. Diese erfordern neue Fragestellungen, Ansätze und Verfahren für die Risikoabschätzungen.

Spezielle Eigenschaften nanoskaliger Partikel

Nanoteilchen besitzen spezielle chemische und physikalische Eigenschaften, die deutlich von denen von Festkörpern oder größerer Partikel abweichen. Dies sind unter anderem:

• höhere chemische Reaktivität durch große spezifische Oberfläche (große Teilchenoberfläche im Verhältnis zum Volumen) möglich
• geringer Einfluss von Massenkräften (Gewichtskraft) und zunehmender Einfluss von Oberflächenkräften (z. B. Van-der-Waals-Kraft)
• zunehmende Bedeutung von Oberflächenladung (siehe DLVO-Theorie) sowie thermodynamischen Effekten (Brownsche Molekularbewegung)
• daraus können stabile Suspensionen aber auch Aggregatbildung resultieren
• spezielle optische Eigenschaften

Spezielle Nanoteilchen

Fullerene

Die Fullerene sind braun-schwarze Pulver von metallischem Glanz. Sie lösen sich in manchen organischen Lösungsmitteln (z. B. Toluol) unter charakteristischer Färbung. Fullerene gehen bei ca. 400 °C vom festen in den gasförmigen Zustand über.

Kohlenstoffnanoröhren

Kohlenstoffnanoröhren bestehen aus zylinderförmigen Graphitlagen und besitzen einen Durchmesser von 1–100 nm. Die Form der Nanoröhren kann einwandig, mehrwandig oder Y-förmig sein. Sie weisen u. a. eine hohe Transportgeschwindigkeit, eine hohe Reißfestigkeit und extreme Elastizität auf, außerdem sind sie sehr strapazierfähig. Sie haben eine 10mal höhere Zugfestigkeit als Stahl ^[1]. Je nach Detail der Struktur ist die elektrische Eigenschaft innerhalb der Röhre leitend oder halbleitend.

Carbon black

Graphit (eine Form des Kohlenstoffs, neben Diamant und Fulleren) ist die Grundstruktur des Carbon black und ein weiches, schwarz-metallisch glänzendes Material, dass sowohl in natürlicher Form vorkommt, als auch künstlich hergestellt werden kann. Die Kristallstruktur des Graphits besteht aus vielen übereinanderliegenden parallelen Schichten, die in Größe und Anordnung variieren können. Innerhalb dieser Schichten kondensieren sp2-hybridisierte Kohlenstoffatome zu aromatischen Sechsringen und bilden ein konjugiertes π-System.

Carbon black ist die englische Bezeichnung für Industrieruß, der unter kontrollierten Bedingungen gezielt hergestellt wird und physikalisch und chemisch definiert ist. Dem gegenüber steht der Kamin- bzw. Dieselruß, der als nicht genau definiertes Nebenprodukt bei der Verbrennung von Kohle bzw. Kohlenwasserstoffen entsteht ^[2][3][4].

Carbon black besteht zu 96−99 % aus Kohlenstoff, die restlichen Anteile sind Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel, die größtenteils (in funktionellen Gruppen) an der Oberfläche chemisch gebunden sind. An den Ecken und Kanten der aromatischen Verbindungen ist die Oberflächenenergie am größten, so dass eine Adsorption von Gasen und Flüssigkeiten bevorzugt stattfindet ^[2][3].

Die Oxid-Gruppen auf der Porenoberfläche haben den größten Einfluss auf die physikochemischen Eigenschaften des Carbon blacks, wie die Wasseradsorptionsfähigkeit und katalytische, chemische und elektrische Reaktivität. Hauptsächlich bilden sich dabei basische Hydroxyl-, saure Carboxyl- sowie Carbonyl- und Lacton- Gruppen auf der Oberfläche. Bei der Herstellung von Aktivrußen können dabei funktionelle Sauerstoffgruppen mit einem Massenanteil von bis zu 15 % eingeführt werden ^[3].

Halbleiter

Halbleiter-Nanopartikel besitzen spezielle Fluoreszenzeigenschaften. Wie bei makroskopischen Halbleitern gibt es eine Bandlücke, d.h. durch optische Anregung können Excitonen (Elektron-Loch-Paare) erzeugt werden, die bei Rekombination Photonen emittieren, d.h. in Form von Fluoreszenz Licht ausstrahlen. Das besondere bei Halbleiternanopartikeln ist, dass die Energie der Photonen (also der Energieabstand von Grundzustand zu angeregtem Zustand) nicht nur vom Material, sondern auch von der Partikelgröße abhängt. Somit lassen sich aus demselben Material Partikel herstellen, die in verschiedenen Farben fluoreszieren, wobei sich die Farbe (Emissionswellenlänge) durch die Partikelgröße einstellen lässt. Kleine Partikel emittieren bei kleinerer Wellenlänge (größerer Photonenenergie), größere Partikel bei größeren Wellenlängen (kleinerer Photonenenergie). Dies ist durch die Quantenmechanik erklärbar ("Teilchen im Kasten"-Modell), sogar im einfachsten Modell wird deutlich, dass durch die räumliche Beschränkung (die Elektronen müssen sich innerhalb des Partikels befinden) der Abstand der Energieniveaus von den räumlichen Dimensionen (d.h. der Partikelgröße) abhängig ist. Solche Systeme werden auch als Quantenpunkt bezeichnet, gängige Materialien sind z.B. CdSe und CdTe. Oxidmaterialen besitzen eine sehr großer Bandlücke und sind optisch transparent. Durch Dotierung mit Fremdatomen können sie zur Phosphoreszenz gebracht werden.

Metalle

Gegenüber bisher bekannten Größenordnungen von Metallen, haben metallische Nanopartikel veränderte chemische Eigenschaften auf Grund ihrer geringeren Größe und dem daraus resultierenden sehr hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis, bei z. B. kolloidalem Gold erhöht sich die katalytische Wirkung. Bei sehr kleinen Goldnanopartikeln erniedrigt sich der Schmelzpunkt drastisch ^[5]. Zudem zeigen Alkalimetall-, Kupfer-, Silber- und Goldnanopartikel andere optische Eigenschaften im Vergleich zu den reinen Metallen. Sie zeigen in Lösung eine breite Absorptionsbande im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums und besitzen somit eine intensive Farbe (charakteristische Farbe von Gold-Kolloiden: rot bis purpurrot) ^[6]. Dieser Effekt wird durch Partikelplasmonen hervorgerufen.

Abgrenzung zu Aerosol

Aerosol ist die Sammelbezeichnung für die in Gasen mitschwebenden, feinst verteilten (dispergierten), festen und flüssigen Teilchen (Schwebstoffe) unterschiedlicher Größe. Für Nanopartikel, die im Gas suspendiert sind, gelten die gleichen Naturgesetze – unabhängig davon, ob sie absichtlich oder unabsichtlich erzeugt wurden.

Herstellung

Es haben sich fünf Verfahren zu Herstellung von Nanoteilchen etabliert:

• Lithografie,
• chemische Herstellung in Lösungen (z. B. Sol-Gel-Methode),
• Herstellung im Plasma, bei gasförmigen Edukten, alternativ auch mittels einem elektrisch beheizten Reaktor. Für die Nanopartikelsynthese von größeren Partikeln wird der Reaktor auch chemisch, durch eine Methangasflamme beheizt.
• Herstellung durch selbst organisiertes Wachstum auf Oberflächen oder mit Templaten (z. B. Hydrothermalsynthese von nanoporösen Cetineiten),
• Herstellung durch gezielte Nukleation von Molekülen aus der Gasphase (Aerosolprozess).
• Elektrospinnen
• Mikroemulsionstechniken
• SMAD (solvated metal atom dispersion)

Je nach Einsatzgebiet der Nanoteilchen ist meist eine genau definierte und enge Partikelgrößenverteilung erforderlich. Abhängig von der chemischen Natur der gewünschten Nanoteilchen eignet sich das eine oder andere Verfahren besser, um ein gutes Ergebnis zu erreichen. Meist liefern Verfahren in Lösung oder Verfahren der Selbstorganisierung die besten Ergebnisse. Diese sind aber großtechnisch nur schwer oder gar nicht durchführbar.

Verwendung und Nutzen von Nanopartikeln

Nanomaterialien

Nanopartikel werden bereits bei der Herstellung vieler Produkte verwendet. Als ältester Nanowerkstoff wird teilweise Beton genannt, obwohl erst lange nach seiner ersten Verwendung erkannt wurde, dass dieser seine Festigkeit Kristallstrukturen verdankt, die lediglich einige Nanometer groß sind. Ob „Marmor von der Rolle“, Fassadenputz, der durch Beimischung von Nanoteilchen Schadstoffe und unangenehme Gerüche beseitigt oder Nanoteilchen auf Dachziegeln, die ein Wachstum von Algen verhindern sollen – es gibt sehr viele Möglichkeiten, Materialien mit Hilfe der Nanotechnologie zu verbessern ^[7]. Etliche kosmetische Produkte, wie verschiedene Sonnencremes, Deodorants und Zahnpasten enthalten Nanopartikel, wie Titandioxid (TiO₂) und Aluminiumoxid (Al₂O₃). Auch Lebensmitteln werden bereits Nanopartikel beigesetzt. In Tomaten-Ketchup dient Siliziumoxid als Verdickungsmittel, Titandioxid wird zur Aufhellung von Salatdressings verwendet und Aluminiumsilikat wirkt der Verklumpung pulverförmiger Lebensmittel entgegen ^[8]. Weitere Beispiele sind Nanopartikel in Farben und Lacken sowie Imprägniermitteln für alle Arten von Oberflächen, welche Schutz vor mechanischer Beschädigung bieten sollen.

Nanoelektronik

Es ist gelungen, logische Schaltkreise aus Kohlenstoff-Nanoröhren und aus Halbleiter-Nanokabeln zu bilden. Dies könnten die ersten Schritte zur Verwirklichung von Nanocomputern sein ^[9][10]. Nanokristalle aus Indium-Arsenid werden verwendet, um Licht emittierende Dioden (LEDs) herzustellen. Die Strahlungswellenlänge liegt bei der von Telekommunikationssystemen. Ein Anwendungsgebiet könnte also die Telekommunikationstechnik sein ^[11]. siehe auch: Oberflächenchemie

Militärischer Einsatz

Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Nanotechnik eröffnen auch dem Militär neue Türen. So wären beispielsweise kleine, eingebaute Rechner in Waffen oder Uniformen denkbar – oder der Einsatz leistungsfähigerer Computer, die für die Gefechtsführung von Nutzen wären. Auch das Implantieren von Nanotechnik in die Körper von Soldaten zur Kommunikation, Überwachung oder der Abgabe von Drogen wäre möglich ^[12]. Aber auch im Bereich der biologischen und chemischen Waffen sind Anwendungen möglich. So zum Beispiel zur Detektion und medizinischen Behandlung, aber auch als Träger der Waffe.

Nutzen für die Umwelt

Die Nanotechnologie bietet auch Potentiale zur Entlastung der Umwelt, allerdings befinden sich viele der Anwendungen noch in der Entwicklung.

• Nanomaterialien können als Bindemittel für Umweltgifte genutzt werden. So wurde am Beispiel zweier als natürliche Nanopartikel vorkommende Minerale (Allophan und ein Smektit) nachgewiesen, dass diese eine hohe Aufnahmekapazität für Schadstoffe wie z. B. Kupfer oder Naphthalin besitzen ^[13].
• Nanotechnikbasierte Sensoren sollen sich wegen ihres geringeren Gewichtes sehr energieeffizient betreiben lassen. Diese Sensoren werden vorrangig für den biomedizinischen und im militärischen Bereich entwickelt. Auch in der Umweltanwendung für den optimierten und spezifischen Nachweis biologischer und chemischer Verunreinigungen können sie verwendet werden.
• Mit dem Einsatz nanotechnikbasierter Leuchtdioden (LED) lässt sich angeblich für die Beleuchtung eine drei- bis fünffach erhöhte Energieeffizienz im Vergleich zur Beleuchtung mit einer herkömmlichen Energiesparlampe erreichen. Die Verwendung von Farbstoffsolarzellen verspricht laut UBA eine höhere Effizienz des Lichteinfangs durch nanometerfeine Verteilung eines lichtabsorbierenden Farbstoffs ^[14].
• Auch die Wasserqualität kann angeblich verbessert werden. Durch die Anwendung nanotechnikbasierter Durchflusskondensatoren zur Meerwasserentsalzung soll im Vergleich zur herkömmlichen Umkehrosmose oder Destillation über 99 Prozent der aufzubringenden Energie eingespart werden. In der Abwasserbehandlung lässt sich vorbehandeltes Abwasser durch nanoporöse Membranen von Krankheitserregern befreien und so deren Verbreitung in der Umwelt verhindern.
• In modernen Autoreifen werden bereits Siliziumdioxid- und Nanorußpartikel zur Materialverstärkung eingearbeitet. Sie sollen einen geringeren Rollwiderstand bewirken und so dabei helfen, bis zu zehn Prozent Kraftstoff einzusparen ^[14].
• Die Abgasreinigung bei Kraftfahrzeugen soll durch nanoporöse Filter verbessert werden um Rußpartikel aus Abgasen zurückzuhalten ^[14].
• In der Schädlingsbekämpfung könnten durch ultradünne Nanopolymere giftige organische Biozide ersetzt werden.
• Durch die Verringerung der Schichtdicke von Lacken lassen sich Rohstoffe einsparen.Ferner könnten angeblich auf umwelt- und gesundheitsbedenkliche Chrom-VI-Lacke beim Korrosionsschutz für Metalle wegen nanotechnikbasierter Oberflächen verzichtet werden ^[14]. Die Verwendung nanopartikelhaltiger Autolacke verspricht durch die keramikartige kristalline Struktur mehrerer hauchdünner Schichten einen geringeren Verschleiß. Laut Mercedes verfüge dieser Nanolack, der bereits seit zwei Jahren verwendet wird, nach rund 100 Waschstraßendurchfahrten noch über 72 Prozent „Restglanz“, beim herkömmlichen Lack sei bei gleicher Belastung nur noch 35 Prozent der Neuwagen-Brillanz übrig. Dieser Lack trägt also dazu bei, dass man sein Auto nicht so oft waschen müsste und somit Wasser einsparen könnte und das Grundwasser weniger verunreinigt. Laut Angaben der Hersteller sei kein Gesundheitsrisiko vorhanden, da die Nanopartikel in einer Matrix gebunden vorliegen. Ähnliche Nanolacke werden auch als Wandfarbe verwendet ^[15].

Nanomedizin

Durch die Nanotechnologie eröffnet sich ein weites Feld für medizinische Anwendungen.

• Ein Beispiel ist das Wachstum künstlicher Knochen durch das Implantieren von beschichteten Titan-Grundgerüsten, auf denen sich der Knochenbestandteil Hydroxylapatit anlagern kann ^[16]. Außerdem ist ein Knochenersatzmaterial entwickelt worden, welches aus Hydroxylapatit besteht. Knochenbildende Zellen können aufgrund der nanokristallinen Struktur des Ersatzmaterials einwandern und die Knochenersatzmasse durch natürlichen Knochen ersetzen ^[17].
• Die speziellen Eigenschaften der Nanomaterialien können genutzt werden, um gezielt die Blut-Hirn-Schranke für Therapeutika passierbar zu machen ^[14]. Auch das gezielte Einbringen von Medikamenten in den Körper könnte durch die Nanotechnologie ermöglicht werden. Durch die gewebespezifische Behandlung sollen minimale Nebenwirkungen erreicht werden. Die Oberflächenbeschaffenheit der injizierten Substanz ist entscheidend für ihre weitere Zielbestimmung im Körper. So werden Partikel mit einer wasserabweisenden Oberfläche schnell vom Immunsystem erkannt und beseitigt. Durch das Beschichten der Partikel mit Molekülen, die vom Immunsystem nicht als fremd erkannt werden, kann dieser Prozess umgangen werden. Ein Beispiel hierfür ist die Injektion von Liposomen (mikroskopisch kleine Bläschen aus Phospholipiden), die mit bestimmten Molekülen beschichtet wurden. Liposomen können beispielsweise in der Krebstherapie eingesetzt werden, da die Blutgefäße in Tumorzellen eine größere Durchlässigkeit für die Liposomen haben als die Blutgefäße in gesunden Geweben. Somit reichern sich die Liposomen in den Tumoren an. Wirkstoffe können so gezielt eingesetzt werden ^[17].
• Zur Aufnahme von Substanzen besitzen Zellen unter anderem einen Mechanismus, der rezeptorvermittelte Endocytose genannt wird (siehe Membrantransport). Hierbei haben Rezeptoren an der Oberfläche der Zellen die Funktion, Substanzen mit passenden Oberflächenmolekülen zu erkennen und die Aufnahme der Substanz in die Zelle einzuleiten. Die Rezeptoren variieren von Zelltyp zu Zelltyp bzw. von Gewebe zu Gewebe. Beschichtet man die gewünschte Substanz mit Biomolekülen, wie z. B. monoklonalen Antikörpern (siehe Antikörper) oder Zuckerresten – die hochspezifische Eigenschaften haben können und somit nur von bestimmten Zellrezeptoren erkannt werden können – ist es möglich, die Substanz in ein ganz bestimmtes Körpergewebe zu dirigieren ^[18].
• Die Krebsbehandlung mit Nanopartikeln aus Eisenoxid ist ein weiteres Forschungsgebiet (siehe Nanotechnologie).

Mögliche Risiken

Die enorme Reaktivität von Nanopartikeln und der drastische Anstieg in Herstellung und Anwendung der unterschiedlichsten Arten von Nanopartikeln können ein breites Spektrum an möglichen Gefahren für Mensch und Umwelt eröffnen. Nach Herstellerangaben stellt keines der Produkte eine gesundheitliche oder ökologische Gefahr dar. Die Erweiterung der Produktpalette zu Gunsten des Verbrauchers kann große Vorteile mit sich bringen, allerdings müssen Vor- und Nachteile der bereits angewandten Nanotechnologien und der verwendeten Materialien sorgfältig abgewägt werden.^[19] Zahlreiche Untersuchungen zeigen mögliche umweltschädigende und gesundheitsschädliche Aspekte der Nanotechnologien auf, so zum Beispiel die Aufnahme der Partikel in den Organismus über die Atemwege, die Haut und den Mund, sogar bei schon auf dem Markt befindlichen Produkten wie Kosmetika und Nahrungszusatzstoffen. Dabei ist eine Gefährdung von Mensch und Umwelt durch die derzeit verwendetetn Nanomaterialien nicht nachweisbar.

Risiken für den Menschen

Durch den Konsum und die Verwendung von nanopartikelhaltigen Produkten könnten Menschen mit diesen potentiell gesundheitsschädlichen Substanzen potentiell in Kontakt kommen. Werden die Partikel in den Organismus aufgenommen, könnten sie dort erheblichen Schaden anrichten und zur Ursache für Krankheiten werden. Hierzu laufen zahlreiche Untersuchungen, welche die derzeitigen Kenntnisse zur Toxikologie und Ökotoxikologie von Nanomaterialien erweitern sollen. Eine Gefährdung der Arbeitnehmer bei der Herstellung von Nanomaterialien kann bei Befolgung der geltenden Regeln zur Sicherheit am Arbeitsplatz ausgeschlossen werden. Nanopartikel können auf Grund ihrer kleinen Ausmaße (10–100 nm) über die Haut, die Atemwege und über den Magen-Darm-Trakt in den Körper aufgenommen werden und verteilen sich dort über den Blutkreislauf im gesamten Organismus.

• Bei der Verwendung von Nano-Imprägniersprays beispielsweise können Nanopartikel über die Atemluft in die Lunge aufgenommen werden. In der Lunge gelangen Nanopartikel bis in den Bereich der Lungenbläschen (Alveolen), im Unterschied zu größeren Partikeln. Sie werden dort zum Auslöser heftiger Entzündungen des Lungengewebes. Außerdem findet an dieser Stelle ebenfalls der Übertritt der Partikel in die Blutbahn statt ^[20]. Dabei treten kleinere Partikel einfacher in das Blut über und können anschließend die Blut-Hirn-Schranke durchdringen ^{[14] [21]}.
• Grundsätzlich konnte nachgewiesen werden, dass Nanopartikel, die über die Riechschleimhaut aufgenommen werden, über die Nervenbahnen des Riechkolbens und unter Passage der äußerst selektiven Blut-Hirn-Schranke in das Gehirn gelangen. ^[22] Der Schutz des Gehirns vor hochreaktiven und vermutlich gewebeschädigenden Substanzen ist somit aufgrund der Größe der Nanopartikel nicht mehr gewährleistet.
• Als Folge der Aufnahme von Nanopartikeln kann es vor allem bei Menschen, die an Arteriosklerose und Herzerkrankungen leiden, zu einer Verschlimmerung der bestehenden Erkrankung und zu Ablagerungen in unterschiedlichen Organen, wie Milz, Leber, Knochenmark etc. kommen ^[22].
• Der Verzehr von Lebensmitteln, die mit Nanopartikeln versetzt sind, ermöglicht die Aufnahme der potentiell schädlichen Substanzen über die Schleimhäute des Magen-/Darmtraktes in die Blutbahn. Im Darm werden Nanopartikel von den Peyerschen-Plaques aufgenommen. Auch bei der Aufnahme von Nanopartikeln über den Magen-Darm-Trakt gilt, je kleiner die Partikel sind desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer Ablagerung der aufgenommenen Partikel in bestimmten Geweben und Organen und zur Schädigung derselben kommt ^[22].
• Eine weitere Möglichkeit der Aufnahme von Nanopartikeln in den Organismus erfolgt möglicherweise über die Haut z. B. durch das direkte Auftragen von nanopartikelhaltigen Kosmetika.^[22] Einige Studien widerlegen eine Aufnahme von Nanopartikeln bis zu lebenden Zellschichten des Epithelgewebes; andere Untersuchungen geben Hinweise auf gegenteilige Befunde. So können in Kosmetikprodukten enthaltene Nanopartikel über die Hornhaut direkt, oder über Haarwurzeln in die Haut aufgenommen werden und dort zur Schädigung der Zellen durch Radikalbildung führen und möglicherweise Hautirritationen und –allergien auslösen. Im Organismus besteht die Gefahr, dass die Partikel die mitochondriale Atmung und somit den Zellstoffwechsel stören. Die genaue Wirkung ist jedoch noch unzureichend erforscht, deshalb scheint es sehr bedrohlich, dass zahlreiche Hautpflegeprodukte bereits Nanopartikel enthalten ^{[20] [21]}.

Grundsätzlich muss daraufhin gewiesen werden, dass in den bislang durchgeführten Untersuchungen keine einheitlichen Standards für die Charakterisierung der verwendeten Materialien und für die Durchführung der Messung angewandt wurden. Forschungsprojekte wie das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützte Projekt NanoCare stellen hier erste verbindliche Arbeitsanweisungen zu Verfügung.

Risiken für die Umwelt

Die Neutralität dieses Artikels oder Abschnitts ist umstritten. Eine Begründung steht auf der Diskussionsseite.

Es ist nicht klar, ob diese ökologischen Risiken und Gefahren auch für in Trägersubstanzen (Lacke, Fassadenfarben, Textilien) oder technische Geräte (Informationstechnologie) eingebrachte Nanopartikel gilt. Der derzeitige Stand der Wissenschaft lässt keine verlässlichen Aussagen über die Gefahr und die Gesundheitsschädlichkeit bezüglich nanoskaliger Inhaltsstoffe und Komponenten zu. Es ist nach wie vor zu klären, ob auf Grund bestimmter Witterungsverhältnisse oder durch mechanische Belastung Nanopartikel aus Fassadenfarben, Autoreifen oder -lacken in Form nanoskaligen Abriebs austreten können.

Kommt es zu Auswaschung nanoskaliger Partikel aus festen Trägersubstanzen, so ist auch hier mit einer Belastung für Mensch und Umwelt zu rechnen.

Die Anwendung nanoskaliger Verbindungen ist mit hoher Wahrscheinlichkeit gleichbedeutend mit ihrem Eintrag in die Umwelt bzw. deren Eintritt in Nahrungsketten und infolgedessen der Schädigung ökologischer Systeme. Selbst wenn durch die Nanomaterialien als solche keine direkten Schäden verursacht werden sollten, könnten Nanopartikel aufgrund ihrer hohen Reaktivität andere Schadstoffe binden und ihnen den Transport in der Luft oder im Wasser erleichtern. Dies hätte eine erhöhte Belastung für die Umwelt und Organismen zur Folge ^[19].

Auf das Verhalten von Nanopartikeln in der Luft wird unter Gefahren bei der Herstellung näher eingegangen. Auch im Wasser können Partikel über Bindung anderer Substanzen grundlegend ihre Eigenschaften ändern, sodass beispielsweise die Aufnahme von Nanopartikeln in Organismen erleichtert würde. Entweder die Nanopartikel selber oder die an sie gebunden Schadstoffe könnten in den Organismen negative Effekte auslösen ^[19].

Werden die durch Lebensmittel, Kosmetika, etc. vom Menschen aufgenommenen oder verwendeten Nanopartikel ausgeschieden bzw. abgegeben, so gelangen sie über das Abwasser in Gewässer und Böden. Auch bei der Grundwassersanierung mithilfe spezieller Nanopartikel kommt es möglicherweise zu einer hohen Belastung der Böden. Dort besteht die Gefahr, dass die Nanopartikel von Tieren und Pflanzen aufgenommen werden und somit in die Nahrungskette eintreten ^[19].

Hinweise zu negativen bzw. hemmenden Effekten von Nanopartikeln auf das Wurzelwachstum von Pflanzen ergeben sich aus einer Studie von Ling Yang und Daniel J. Watts vom New Jersey Institute of Technology ^[23].

Aufgrund dieser beunruhigenden Forschungsergebnisse sollte man unbedingt klären, ob und in welcher Form Nanomaterialien während des Herstellungsprozesses, beim Gebrauch eines Produktes, durch Alterung und Abbau sowie bei Entsorgung und Wiederverwertung in die Umwelt gelangen können. Das Bundesministerium für Umwelt (BMU) sieht seine Aufgabe im Schutz von Umwelt und Gesundheit. Laut einem Artikel des BMU sind Überlegungen zur Entsorgung von Nanopartikeln jedoch immer noch mit einem Fragezeichen versehen ^[24].

Die biologische Aktivität der Nanopartikel hängt ab von Größe, Form, Chemie, Oberfläche und Löslichkeit der Partikel. Das Gefährdungspotential besteht vor allem durch die Bindung an und von toxischen Substanzen, die Mobilisierung von Schwermetallen, Bindung von Nährstoffen im Grundwasser, Anreicherung über die Nahrungskette, weltweite Verbreitung über die Luft und Veränderung der Mikrofauna durch biozide Wirkung in Boden und Wasser.^[25]

Beim Erstellen von Entsorgungsrichtlinien sollte man also primär klären, ob die Partikel frei oder an eine Matrix gebunden vorliegen, ob sie wasserlöslich sind oder nicht, ob sie zerfallen oder sich zusammenlagern. Es gibt nicht „das Nanopartikel“, jeder Stoff muss individuell betrachtet werden, und dazu müssen zunächst die verschiedenen Partikel charakterisiert und normiert werden ^[25]. Trotz noch unzureichender Entsorgungsrichtlinien, oder besser gesagt: Trotz völligem Fehlen von Entsorgungsrichtlinien (laut unbestätigter Quellen sollen einige Firmen ihre Nanoabfälle einfach ins Abwasser geben!) wird schon eifrig geforscht, wobei umweltschädigende Aspekte oft außer Acht gelassen werden. So steht Deutschland nach Angaben des Bundesforschungsministeriums mit jährlich 290 Millionen Euro an öffentlichen Fördermitteln in Europa derzeit an der Spitze der Nanoforschung. Die EU stellt insgesamt 740 Millionen Euro an öffentlichen Geldern zur Verfügung ^[26].

• Untersuchungen mit Fischen geben Hinweise darauf, dass Nanopartikel auch biologische Barrieren wie die Blut-Hirn-Schranke durchdringen können. Die so genannten C60-Moleküle (auch „Buckminster-Fullerene“) werden schon bei relativ niedrigen Konzentrationen über die Kiemen aufgenommen. Die Verteilung der Nanopartikel im Körper scheint abhängig von Größe, Form und Stoffeigenschaften zu sein ^[21].

Risiken bei der Herstellung

Bei der Herstellung von Nanopartikeln besteht die Gefahr der Exposition von Menschen an ihrem Arbeitsplatz, denn die Kenntnisse über das tatsächliche Verhalten nanoskaliger Substanzen sind so gering, dass das Aufstellen sinnvoller MAK- oder TRK-Werte nicht zu einem zufrieden stellenden Maße möglich ist. Dieses Unwissen über allgemeine chemische und physikalische Eigenschaften von Partikeln dieser Größenordnung und auch die mangelnde ethische Auseinandersetzung mit diesem Gebiet wird womöglich zur „versehentlichen“ Produktion hochgefährlicher Substanzen führen, die exponierten Organismen großen Schaden zufügen.

Durch Fehler in der Apparatur können Nanopartikel bei ihrer Synthese in die Umgebung abgegeben werden. Dabei ist ein solcher Unfall wesentlich schwerer zu ermitteln als bei größeren Partikeln, weil die Konzentrationen, in denen Nanopartikel vorliegen meist sehr niedrig sind. Nanopartikel bewegen sich sehr schnell und können in der Luft große Strecken zurücklegen. Sie verteilen sich somit in kürzester Zeit im Raum, sodass nicht nur Bereiche in der direkten Umgebung kontaminiert werden, sondern auch weiter entfernte Bereiche und Personen. Zur Kontrolle sind hier hochempfindliche Gasdetektionssysteme notwendig ^[19].

Momentan sind weder geeignete Masken, noch Hochleistungsfilter verfügbar, die direkt ausgesetzten Personen einen ausreichenden Schutz bieten ^[20]. Zwar unterliegen Nanopartikel durch Kollision und Zusammenlagerung einem schnellen Wachstumsprozess, jedoch handelt es sich aber bei den aggregierten Partikeln meist immer noch um Nanopartikel ^[19].

Der Herstellung wird in naher Zukunft der Ferntransport von Nanopartikeln folgen. Unfälle, wie ein leckschlagender oder sinkender Öltanker wären, auf Nanopartikel übertragen, derzeit möglicherweise Katastrophen mit unabsehbaren Ausmaßen.

Die Produktion großer Mengen von Substanzen wie den Nanopartikeln muss eine gezielte Entsorgungswirtschaft und –politik mit besonderer Aufmerksamkeit bezüglich der Chemie und Reaktivität des zu entsorgenden Materials nach sich ziehen. Außerdem müssen Sicherheitsstandards sowohl bei der Herstellung als auch für den Transport nach dem Gefahrenpotential der betreffenden Substanzen ausgerichtet werden. Dies ist in Hinblick für Nanopartikel nicht möglich, da die Produktpalette bereits jetzt wesentlich größer ist als die Palette der untersuchten Nanopartikel.

Einzelnachweise

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21. ↑ ^{a b c} Oberdörster et al.: Nanotoxicology: An Emerging Discipline Evolving from Studies of Ultrafine Particles, 2005
22. ↑ ^{a b c d} Roblegg, E., Sinner, F., Zimmer, A.: Gesundheitsrisiken der Nanotechnologie. nanoGesund.2006
23. ↑ Watts, D.J., Yang, L.: Particle surface characteristics may play an important role in phytotoxicity of alumina nanoparticles. In: Toxicology Letters 158, 122–132, 2005
24. ↑ http://www.dialog-nanopartikel.de/
25. ↑ ^{a b} M. Rappolder: Nanotechnologie: Kleine Teilchen – Große Wirkung, Dessau 2006
26. ↑ G. Samulat: Angemerkt! Vom Wohl und Wehe der Zwergenwelt

Literatur

Bücher

• Thorsten Klooster: Intelligente Oberflächen, Birkhäuser Verlag, Basel 2009. ISBN 978-3-7643-8811-9
• H. Haberland: Clusters of Atoms and Molecules I, Springer, 52, 1994
• H. Haberland: Clusters of Atoms and Molecules II, Springer, 56, 1994
• C.F. Bohren, D.R. Huffman: Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley, 1983
• U. Kreibig, M. Vollmer: Optical Properties of Metal Clusters, Springer, 1995

Aufsätze

• Harald F. Krug: Auswirkungen nanotechnologischer Entwicklungen auf die Umwelt. Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung 17(4), S. 223–230 (2005), ISSN 0934-3504
• Petra Schaper-Rikel: Governance von Zukunftsversprechen: Zur politischen Ökonomie der Nanotechnologie POKLA Heft 145, 36 (2006) 4, 473–496.

Weblinks

• www.nanosafe.org
• www.dialog-nanopartikel.de
• Bewertung der Methodologien zur Abschätzung der Risiken von Nanoteilchen, Zusammenfassung eines Berichts des SCENIHR der Europäischen Kommission (2006)
• ZDF mediathek ZDF.Umwelt: Nanotechnologie – Risiken und Nutzen
• www.iuta.de Institut für Energie- und Umwelttechnik in Duisburg