Nanopartikel

Definition und Bedeutung

Nanopartikel, auch Nanoteilchen, sind Verbünde von einigen wenigen bis einigen tausend Atomen oder Molekülen. Typisch ist ein Maximaldurchmesser von 1 bis 100 Nanometern (nm). Nach ISO/TS 27687:2008 sind Nanopartikel Nanoobjekte mit drei äußeren Dimensionen. Nanopartikel können aus sehr unterschiedlichen Stoffen bestehen. Kunststoffpartikel, die kleiner als Mikroplastik sind, werden Nanoplastik genannt.

Ihre Bedeutung liegt darin, dass sie wegen ihrer winzigen Größe Eigenschaften besitzen können, die sich deutlich von größeren Partikeln oder festen Körpern desselben Materials unterscheiden. Dadurch entstehen viele mögliche Anwendungen: verbesserte Materialien im Haushalt, zielgerichteter Medikamententransport im Körper, schonendere Krebstherapien sowie kleinere und leistungsfähigere elektronische Bauteile. Gleichzeitig können Nanopartikel eine Umweltbelastung darstellen. Weil Herstellung und Anwendung stark zunehmen, werden mögliche Risiken für Menschen und Umwelt unter anderem in der Ökotoxikologie untersucht.

Eigenschaften und Formen

Nanopartikel haben spezielle chemische, physikalische, morphologische und biologische Eigenschaften. Wichtig ist die große spezifische Oberfläche, also eine große Oberfläche im Verhältnis zum Volumen. Dadurch kann die chemische Reaktivität stark steigen. Massenkräfte wie die Gewichtskraft werden weniger wichtig, während Oberflächenkräfte, zum Beispiel Van-der-Waals-Kräfte, eine größere Rolle spielen. Auch Oberflächenladung, Brownsche Molekularbewegung und thermodynamische Effekte werden bedeutender. Daraus können stabile Suspensionen, aber auch Aggregation oder Agglomeration entstehen, also das Zusammenlagern einzelner Teilchen. Ohne gezielte Stabilisierung durch Ionen- oder Micellenbeladung ist die Lebensdauer einzelner Nanopartikel oft sehr kurz.

Nanopartikel entstehen natürlich, etwa als Viren oder bei Vulkanausbrüchen und Waldbränden. Sie können auch durch menschliche Aktivitäten entstehen, zum Beispiel durch Kfz- und Industrieabgase. Synthetische Nanopartikel werden gezielt hergestellt und können Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit oder besondere chemische Reaktivität erhalten.

Wichtige Gruppen sind Metall- und Halbmetall-Oxide wie Siliciumdioxid (SiO2), Titandioxid (TiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Eisenoxide, Zinkoxid (ZnO) und Zeolithe; Halbleiter wie Cadmiumtellurid (CdTe), Cadmiumselenid (CdSe) und Silizium; Metalle wie Gold (Au), Silber (Ag) und Eisen (Fe); Metallsulfide sowie Nanoplastik. Kohlenstoffhaltige Formen sind Fullerene, ein- und mehrwandige Nanoröhren, Graphen, Nanofasern, Polymere wie Dendrimere und Blockcopolymere, Industrieruß, diamantähnlicher und zwiebelähnlicher Kohlenstoff.

Industrieruß, englisch carbon black, besteht zu 96 bis 99 % aus Kohlenstoff. Er wird kontrolliert hergestellt und ist physikalisch und chemisch definiert. Davon unterscheidet sich Kamin- oder Dieselruß, der als ungenau definiertes Nebenprodukt bei Verbrennungen entsteht. In der Luftgütemessung heißen Partikel mit thermodynamischem Durchmesser unter 0,1 µm ultrafeine Partikel oder Ultrafeinstaub.

Besondere Materialtypen

Halbleiter-Nanopartikel besitzen besondere Fluoreszenzeigenschaften. Wie bei großen Halbleitern gibt es eine Bandlücke. Durch optische Anregung entstehen Excitonen, also Elektron-Loch-Paare, die bei Rekombination Photonen aussenden. Bei Halbleiternanopartikeln hängt die Energie dieser Photonen von der Partikelgröße ab: Kleinere Teilchen haben eine größere Bandlücke und senden Licht kleinerer Wellenlänge aus, größere Teilchen größere Wellenlängen. Solche Systeme heißen Quantenpunkte. Häufige Materialien sind Cadmiumselenid und Cadmiumtellurid.

Kohlenstoffnanoröhren bestehen aus zylinderförmigen Graphitlagen und haben Durchmesser von 1 bis 100 nm. Sie können einwandig, mehrwandig oder Y-förmig sein. Sie besitzen sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Reißfestigkeit und extreme Elastizität. Ihre Zugfestigkeit ist 10-mal höher als die von Stahl. Je nach Struktur können sie elektrisch leitend oder halbleitend sein.

Metallische Nanopartikel verhalten sich chemisch anders als größere Metallstücke, weil sie ein hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis besitzen. Kolloidales Gold kann stärker katalytisch wirken. Bei sehr kleinen Goldnanopartikeln sinkt der Schmelzpunkt drastisch: 1,5 nm große Goldpartikel schmelzen etwa bei 500 bis 600 °C, während makroskopisches Gold bei 1064 °C schmilzt. Alkalimetall-, Kupfer-, Silber- und Goldnanopartikel zeigen außerdem besondere optische Eigenschaften, etwa eine intensive Farbe durch Partikelplasmonen; Gold-Kolloide erscheinen rot bis purpurrot.

Ein spezielles Beispiel sind Nanowasser-Tropfen. Ende 2013 gelang es Forschern in den Vereinigten Staaten, stabile Tropfen mit 25 Nanometern Durchmesser durch Elektrospray zu erzeugen. Sie blieben wegen erhöhter Oberflächenspannung bis zu vier Stunden stabil. Eingeschlossene reaktive Sauerstoffradikale konnten Bakterienzellmembranen schädigen, weshalb über Nanowasser als rückstandsloses Desinfektionsmittel diskutiert wurde.

Herstellung und Abgrenzung

Bei der Herstellung unterscheidet man Top-Down- und Bottom-Up-Verfahren. Top-Down bedeutet, dass ein größeres Material nanostrukturiert wird. Beispiele sind Mahlprozesse, Laserablation und lithographische Verfahren wie Fotolithografie, Elektronenstrahl-Lithographie und Nano-Imprint-Lithographie. Bottom-Up bedeutet, dass Teilchen aus kleineren Bausteinen entstehen, zum Beispiel aus einer fluiden Phase. Beispiele sind chemische Herstellung in Lösungen wie die Sol-Gel-Methode, Herstellung im Plasma oder in einem beheizten Reaktor, chemische Gasphasenabscheidung, selbstorganisiertes Wachstum auf Oberflächen oder mit Templaten, gezielte Nukleation aus übersättigten Flüssig- oder Gasphasen, Ostwald-Reifung, Fällung, Elektrospinnen, Mikroemulsionstechniken und SMAD.

Für viele Anwendungen braucht man eine genau definierte und enge Partikelgrößenverteilung. Je nach chemischer Natur der gewünschten Nanopartikel eignet sich ein Verfahren besser als ein anderes. Verfahren in Lösung und Selbstorganisation liefern oft gute Ergebnisse, sind aber großtechnisch schwer oder gar nicht durchführbar.

Von Aerosolen werden Nanopartikel begrifflich unterschieden: Aerosol ist die Sammelbezeichnung für fein verteilte feste oder flüssige Schwebstoffe in Gasen. Nanopartikel können Teil eines Aerosols sein, wenn sie in Gas suspendiert sind. Für solche Partikel gelten dieselben Naturgesetze, unabhängig davon, ob sie absichtlich oder unabsichtlich erzeugt wurden. In Aerosolen können Nanopartikel nur wenige Stunden bestehen, weil sie wegen hoher Diffusivität schnell mit größeren Partikeln koagulieren. Besonders interessant ist der Bereich von 1 bis 10 nm, da dort Quanteneffekte auftreten und die Bildung kritischer Cluster sowie größerer Aerosolpartikel beobachtet werden kann.

Anwendungen und Nutzen

Nanopartikel werden in vielen Produkten und Technologien verwendet. In der Nanoelektronik wurden logische Schaltkreise aus Kohlenstoffnanoröhren und Halbleiter-Nanokabeln gebildet. Zinkoxid-Nanopartikel ermöglichen transparente Elektronik, weil sie für sichtbares Licht durchlässig sind und in Druckprozessen abgeschieden werden können. Wegen geringer Ladungsträgerbeweglichkeit eignen sich solche Bauelemente vor allem für low-cost/low-performance-Anwendungen wie RFID-Tags oder einfache Sensoren. Nanokristalle aus Indium-Arsenid werden für LEDs mit Strahlungswellenlängen im Bereich von Telekommunikationssystemen genutzt.

Bei Nanomaterialien reichen Beispiele von Beton, dessen Festigkeit auf nanometergroßen Kristallstrukturen beruht, bis zu Fassadenputz, Dachziegeln, Farben, Lacken und Imprägniermitteln. Kosmetische Produkte wie Sonnencremes, Deodorants und Zahnpasten können Titandioxid (TiO2) oder Aluminiumoxid (Al2O3) enthalten. Auch Lebensmittelzusätze werden genannt: Siliziumdioxid (E 551) dient in Tomaten-Ketchup als Verdickungsmittel, Titandioxid zur Aufhellung von Salatdressings und Aluminiumsilikat gegen Verklumpung pulverförmiger Lebensmittel. Bio Suisse beendete Anfang 2019 die Zulassung von E 551 als Trennmittel in Gewürzen wegen Bedenken zu Nanopartikeln.

In der Medizin gibt es bereits bewährte oder klinisch erprobte Anwendungen. Hydroxylapatit dient seit den 1980er Jahren unter anderem bei Zahnimplantaten als Knochenersatzmaterial. Liposomen können Wirkstoffe transportieren und sich wegen des EPR-Effekts in Tumoren anreichern. Eisenoxid-Nanopartikel können Zellen für bildgebende Verfahren wie Magnetresonanztomographie markieren. Abraxane, ein Medikament aus Paclitaxel-Albumin-Nanopartikeln, ist beim metastasierten Mammakarzinom zugelassen. In mRNA-Impfstoffen wie Tozinameran und Elasomeran ist die mRNA in Lipid-Nanopartikel verpackt.

Umwelttechnisch könnten Nanomaterialien Schadstoffe binden, Arsen aus Trinkwasser filtern, Rohöl, Glyphosat, Mikroplastik oder PFAS aus Wasser entfernen, Sensoren energiesparender machen, LED-Beleuchtung effizienter machen oder Autoreifen durch Siliziumdioxid- und Nanorußpartikel verstärken. Für Autoreifen wird eine mögliche Kraftstoffeinsparung von bis zu zehn Prozent genannt. Das Verhältnis von Nutzen und Gefahren gilt jedoch als umstritten.

Risiken und Entsorgung

Nanopartikel können wegen ihrer hohen Reaktivität und ihrer zunehmenden Nutzung Risiken für Menschen und Umwelt mit sich bringen. Für Nanoplastik legen Untersuchungen nahe, dass es über die Nahrungskette Mensch und Tier erreichen und gesundheitliche Beeinträchtigungen auslösen kann. Außerdem kann Nanoplastik Zellmembranen lebender Organismen schädigen. Das Umweltbundesamt empfahl, Produkte mit solchen kleinen Partikeln zu vermeiden, solange ihre Wirkungen auf Umwelt und Gesundheit weitgehend unbekannt sind.

Für Menschen sind mögliche Aufnahmewege Haut, Atemwege und Magen-Darm-Trakt. Nach Aufnahme können sich Nanopartikel über den Blutkreislauf im Körper verteilen. In der Lunge können sie bis in die Alveolen gelangen, Entzündungen auslösen und in die Blutbahn übertreten. Kleinere Partikel können die Blut-Hirn-Schranke durchdringen. Kohlenstoffnanoröhrchen zeigten in Mäuseversuchen Wirkungen, die mit Asbestfasern verglichen wurden; solange das Risiko unklar ist, verwenden Forscher ähnliche Vorsichtsmaßnahmen wie bei Asbest. Über den Darm können Nanopartikel unter anderem von Peyer-Plaques aufgenommen werden. Bei Kosmetika sind die Befunde zur Aufnahme über die Haut unterschiedlich; neuere Untersuchungen sehen sie, wenn überhaupt, als sehr gering an. Für bestimmte Nanomaterialien in Kosmetika liegen SCCS-Bewertungen vor, während die inhalative Aufnahme wegen ungeklärter Risiken nicht als unbedenklich gilt.

Für die Umwelt ist unklar, wie gefährlich Nanopartikel sind, wenn sie in Lacken, Fassadenfarben, Textilien oder technischen Geräten gebunden sind. Durch Auswaschung oder Abrieb könnten sie in Umwelt und Nahrungsketten gelangen. Wegen ihrer Reaktivität können sie andere Schadstoffe binden und deren Transport in Luft oder Wasser erleichtern. Genannte Risiken sind Mobilisierung von Schwermetallen, Bindung von Nährstoffen im Grundwasser, Anreicherung über die Nahrungskette, weltweite Verbreitung über Luft und Veränderungen der Mikrofauna in Boden und Wasser. Sandfilter entfernen bei der Trinkwasseraufbereitung rund 99,9 % des im Rohwasser vorhandenen Nanoplastiks, Wasser- und Klärwerke können es aber nicht immer vollständig eliminieren.

Bei der Herstellung besteht die Gefahr der Exposition am Arbeitsplatz. Die entsprechenden Angaben im Artikel sind als nicht hinreichend belegt gekennzeichnet. Nanopartikel können sich bei Fehlern in Apparaturen schnell im Raum verteilen und sind schwer zu detektieren. Für die Entsorgung gibt es bisher wenige Erfahrungen. Entscheidend ist, ob Partikel frei oder in einer Matrix gebunden, wasserlöslich, zerfallend oder zusammenlagernd sind. Untersuchungen zur Verbrennung zeigten zunächst, dass Nanopartikel weitgehend in Asche und Schlacke verbleiben; offen ist unter anderem, was mit Nanopartikeln aus Kosmetika in Wasser oder Klärschlamm geschieht.