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Nanomaterial
Nanomaterialien sind chemische Stoffe oder Materialien mit einer Partikelgröße von 1 bis 100 Nanometern in mindestens einer Dimension.
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Grundbegriff und Vorkommen
Nanomaterialien sind chemische Stoffe oder Materialien mit einer Partikelgröße von 1 bis 100 Nanometern in mindestens einer Dimension. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Entscheidend ist also nicht nur die chemische Zusammensetzung, sondern vor allem die sehr kleine Strukturgröße eines Materials.
Nanomaterialien können natürlich entstehen, bei Prozessen anfallen oder gezielt hergestellt werden. Der Artikel unterscheidet vor allem natürliche Nanomaterialien, synthetische Nanomaterialien und rechtliche Definitionen. Wichtig ist außerdem, dass der Begriff je nach Institution unterschiedlich genau festgelegt wird.
Natürliche Formen
Natürliche organische Nanomaterialien kommen in vielen Lebewesen und biologischen Strukturen vor. Beispiele sind die Feinstruktur von Foraminiferen und Viren, besonders das Kapsid, also die Proteinhülle eines Virus. Auch Wachskristalle auf Lotos- oder Brunnenkresseblättern, Seide, Exoskelette von Gliederfüßern, Hafthärchen an Geckofüßen, Schmetterlingsschuppen, Kollagenfibrillen, natürliche Kolloide wie Milch und Blut sowie verhornte Gewebe wie Haut, Krallen, Schnäbel, Federn, Hörner und Haare gehören dazu. Weitere Beispiele sind Leitbündel, Xylem, Baumwolle, Perlmutt, Korallen und die Knochenmatrix.
Natürliche anorganische Nanomaterialien entstehen zum Beispiel durch natürliche Erosion, etwa bei Tonmineralen, durch vulkanische Aktivität, etwa bei Opal, oder durch Waldbrände. Durch gezieltes Brennen entstehen außerdem mineralische Pigmente, Zement und pyrogene Kieselsäuren.
Einige Beispiele zeigen, wie Nanostrukturen sichtbare Eigenschaften erzeugen: Beim Lotuseffekt entsteht eine wasserabweisende Oberfläche mit Selbstreinigungsfähigkeit. Bei Geckofüßen werden Hafthärchen mit einer Größe von 200 × 10-15 nm genannt. Beim brasilianischen Opal entsteht das Opalisieren durch Reflexion und Interferenz des Lichtes zwischen Kieselgelkügelchen von 150 bis 400 nm. Beim römischen Lykurgos-Becher aus dem 4. Jahrhundert sorgen Gold- und Silber-Nanopartikel von 70 nm in kolloidaler Form für die Zweifarbigkeit, den Dichroismus, rot/grün.
Synthetische Materialien und Markt
Synthetische Nanomaterialien sind hergestellte oder industriell genutzte Materialien mit nanoskaligen Bestandteilen. Dazu gehören Materialien aus Fullerenen, also Kohlenstoffstrukturen wie „Fußbälle“ oder Nanoröhrchen, außerdem Industrieruße und Nanoteilchen.
Als Nanoteilchen nennt der Artikel Nanopartikel aus Metallen, Metall- und Halbmetalloxiden, Metallsulfiden, Halbleitern oder Polymeren. Polymere sind Stoffe aus langen Molekülketten. Solche Materialien können also sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzungen haben, fallen aber wegen ihrer Größe in den Bereich der Nanomaterialien.
Wirtschaftliche Bedeutung
Der Weltmarkt für vorwiegend synthetische Nanomaterialien wurde für 2011 auf 11 Millionen Tonnen geschätzt. Der geschätzte Wert lag bei 20 Milliarden Euro. Diese Zahlen zeigen, dass Nanomaterialien nicht nur ein wissenschaftliches Thema sind, sondern auch wirtschaftlich eine große Rolle spielen.
Rechtliche Definitionen
Die rechtliche Definition von „Nanomaterial“ ist nicht überall gleich. Nach der Europäischen Kommission werden seit dem 18. Oktober 2011 Materialien als Nanomaterialien bezeichnet, wenn sie sich aus Nanoobjekten von 1 nm bis 100 nm im ungebundenen Zustand, also aus Aggregaten oder Agglomeraten, zusammensetzen und mehr als 50 Prozent Nanoobjekte in der anzahlgewichteten Partikelgrößenverteilung aufweisen. Ein Aggregat oder Agglomerat ist eine Zusammenlagerung von Teilchen; die Definition bezieht sich also auch auf zusammengesetzte Teilchenstrukturen.
Diese EU-Definition erfasst natürliche, bei Prozessen anfallende und hergestellte Materialien. Bis Dezember 2014 sollte sie im Licht gewonnener Erfahrungen sowie wissenschaftlicher und technologischer Entwicklungen überprüft werden. Im Auftrag der EU-Kommission wurde dazu zunächst eine Informationssammlung zu Erfahrungen mit der Definition erstellt und veröffentlicht.
Frankreich hat die Registrierung von Nanomaterialien auf Basis der EU-Definition vor dem Import gesetzlich geregelt. Belgien und Dänemark planen eigene Datenbanken zur Registrierung von Nanomaterialien, allerdings mit deutlich veränderten Definitionen. Das Umweltbundesamt in Deutschland schlägt dagegen eine einheitliche europaweite Regelung und Registrierung aller Produkte vor, die Nanomaterial enthalten. International sind Begriffe und Definitionen der Nanotechnologie in der Norm ISO/TS 80004-1:2015 festgelegt.
Kritik an der Abgrenzung
An der Definition wird kritisiert, dass sie zu breit gefasst sei. Dadurch würden auch jahrhundertealte Materialien wie mineralische Pigmente oder Alltagsprodukte erfasst. Ein Beispiel für das Problem: Materialien aus groben Partikeln mit etwas Abrieb können als Nanomaterial eingestuft werden, während ein feines Pulver mit schmaler Korngrößenverteilung und einem Mittelwert von 110 nm nicht unter die Definition fällt.
Zusätzlich wird kritisiert, dass keine zuverlässige Messmethode existiert, mit der alltägliche Pulver eindeutig als Nanomaterial oder nicht als Nanomaterial eingestuft werden können. Die Abgrenzung ist also nicht nur eine Frage der Definition, sondern auch der praktischen Messbarkeit.
