Nanomaterialien: Eigenschaften, Nutzen und Risiken

Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter:

1\,\mathrm{nm} = 10^{-9}\,\mathrm{m}

Als nanoskalig gilt der Größenbereich von etwa 1 bis 100 nm. Nanoobjekte sind in mindestens einer äußeren Dimension so klein. Entscheidend ist nicht nur die geringe Größe: Im Nanobereich können sich auch optische, elektrische oder chemische Eigenschaften ändern.

Nanomaterial ist der Oberbegriff. Er umfasst Nanoobjekte sowie Materialien mit inneren Nanostrukturen oder nanostrukturierten Oberflächen.

Nanopartikel können natürlich entstehen, etwa bei Waldbränden und Vulkanausbrüchen. Sie können auch unbeabsichtigt bei Verbrennungen freigesetzt oder für eine bestimmte Anwendung gezielt hergestellt werden.

Bei einem kleinen Körper liegt ein größerer Anteil seiner Bausteine an der Oberfläche. Dort können sie mit der Umgebung in Kontakt kommen. Deshalb können Adsorption, chemische Reaktivität und katalytische Wirkung zunehmen. Adsorption bedeutet, dass sich Teilchen an einer Oberfläche anlagern. Ein Katalysator ermöglicht oder beschleunigt eine Reaktion, ohne dabei dauerhaft verbraucht zu werden.

Ein Würfelmodell macht den Zusammenhang sichtbar. Für einen Würfel mit der Kantenlänge a gelten die Oberfläche A=6a^2 und das Volumen V=a^3. Für ihr Verhältnis folgt:

\frac{A}{V}=\frac{6a^2}{a^3}=\frac{6}{a}

Dieses Verhältnis von Oberfläche zu Volumen (oder zur Masse) nennt man spezifische Oberfläche. Wird die Kantenlänge von 100 nm auf 10 nm verkleinert, ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zehnmal so groß. Das gilt für getrennte Würfel. Lagern sie sich zusammen, kann ein Teil der Oberfläche wieder unzugänglich werden.

Kohlenstoff-Nanoröhren zeigen, warum das Wort „nano“ als Erklärung nicht genügt. Sie bestehen aus zylinderförmig angeordneten, graphitartigen Kohlenstofflagen. Es gibt einwandige und mehrwandige Röhren; ihre Durchmesser können im Nanometerbereich liegen.

Die röhrenförmige Struktur hängt mit hoher Elastizität und Reißfestigkeit zusammen. Je nach genauer Anordnung können Kohlenstoff-Nanoröhren elektrisch leitend oder halbleitend sein. Ein Halbleiter leitet Strom nur unter bestimmten Bedingungen besser als ein Isolator.

Eine makroskopische Kohlenstoffportion besitzt nicht automatisch dieselbe röhrenförmige Geometrie. Auch ihre zugängliche Oberfläche ist im Verhältnis zum Volumen meist kleiner. Deshalb können sich ihre Eigenschaften von denen einer Nanoröhre unterscheiden. Das Oberflächenmodell erklärt besonders gut Kontakt, Adsorption und Reaktivität. Für elektrische Eigenschaften muss zusätzlich die genaue Anordnung der Kohlenstoffatome betrachtet werden. Das ist eine Grenze des einfachen Oberflächenmodells.

Anwendungen nutzen jeweils eine bestimmte Eigenschaft. Eine bloße Produktliste erklärt deshalb noch keinen chemischen Zusammenhang. Nicht jede genannte Anwendung ist gleich weit entwickelt: Manche Angaben beschreiben etablierte Produkte, andere Forschungsansätze oder erwartete Vorteile.

Es gibt nicht „das“ Nanopartikel mit einer einheitlichen Wirkung. Eine Bewertung muss mindestens die acht Prüfpunkte der Tabelle berücksichtigen.

Eingeatmete sehr kleine Partikel können bis in tiefe Bereiche der Lunge gelangen. Deshalb rät das EU-Fachgremium für Verbrauchersicherheit (SCCS) von Nano-Titandioxid in Sprays ab. Über gesunde Haut gelangt dasselbe Nano-Titandioxid aus Sonnencreme nach seiner Bewertung dagegen kaum oder gar nicht in den Körper. Dieses Ergebnis gilt für den geprüften Stoff, nicht automatisch für jedes Nanomaterial. Auch mögliche Freisetzungen aus Lacken, Textilien, Filtern oder Reifen sind nicht für jedes Material ausreichend geklärt.