Nanotechnologie

Begriff, Größenbereich und Wirkungsweise

Nanotechnologie oder Nanotechnik ist ein Sammelbegriff für Forschung und Anwendungen mit Strukturen vom einzelnen Atom bis zu 100 Nanometern (nm). Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter (10^{−9} m). In diesem Größenbereich gewinnen Oberflächeneigenschaften gegenüber Volumeneigenschaften zunehmend an Bedeutung; außerdem wird angenommen, dass Quanteneffekte entscheidend sind.

Nanopartikel enthalten gegenüber größeren Objekten aus demselben Material relativ wenige Atome und damit weniger Elektronen. Die Abstände zwischen ihren Energieniveaus werden typischerweise größer; ein quasi kontinuierliches Energiespektrum, wie es die Bandtheorie im Festkörper annimmt, ist dann keine gute Näherung mehr. Der damit verbundene Volumeneffekt kann Eigenschaften wie Löslichkeit, Farbe, Transparenz und Leitfähigkeit verändern. Mit abnehmendem Partikelradius sinkt außerdem der Schmelzpunkt.

Kleinere Partikel können leichter in den Körper aufgenommen werden und sich in Organismen bewegen. Sie können möglicherweise die Blut-Hirn-Schranke überwinden; Nanopartikel können auch aus der Lunge in die Blutbahn gelangen. Nanotechnologie umfasst unter anderem Cluster-, Halbleiter- und Oberflächenphysik, Chemie, Maschinenbau und Lebensmitteltechnologie. Nanoelektronik wird nicht einheitlich zur Nanotechnologie gezählt. Viele Wirkungen künstlich hergestellter Teilchen auf Umwelt und Organismen sind noch unerforscht.

Herstellung, Forschung und heutige Anwendungen

Nanomaterialien werden meist chemisch oder mit mechanischen Verfahren hergestellt. Ein Entwicklungsweg ist der Top-down-Ansatz: Er setzt die Mikrotechnik durch immer weitere Verkleinerung fort, benötigt bei Strukturen unterhalb des Mikrometerbereichs aber häufig neue Verfahren. Beim entgegengesetzten bottom-up-Ansatz bauen Chemiker aus einzelnen Molekülen größere nanoskalige Verbunde auf; Dendrimere sind ein Beispiel. Ein kleiner Bereich beschäftigt sich mit Nanomaschinen oder Nanobots.

Nanotechnologische Produkte sind teilweise seit über 40 Jahren auf dem Markt, erhalten im Zuge des „Nano-Hype“ jedoch oft nachträglich die Vorsilbe „Nano“. Anwendungen sind Pigmente und Additive wie hochdisperse Kieselsäuren oder Ruß in Lacken und Kunststoffen, etwa für Schutzanstriche von Karosserien. Nanobeschichtungen können den Lotoseffekt für selbstreinigende Oberflächen nutzen. Nanoskalige Bindemittel können Chromatschichten bei der Automobillackierung ersetzen; andere Beschichtungen machen Plastikflaschen gasdicht oder verbessern das Haft- und Fließverhalten von Ketchup in Behältern.

Weitere Beispiele sind Sonnencremes mit nanoskaligem Titandioxid als Schutz vor ultravioletter Strahlung sowie schmutzabweisende Kleidung mit Nano-Verbund, an dessen kleinen Elementen Schmutzteilchen nicht haften. In der Elektrotechnik werden Prozessorstrukturen auf wenige Nanometer miniaturisiert; handelsübliche Mikroprozessoren erreichen 5 nm breite Strukturen. Gyroskope, Mikrophone und Hall-Sensoren können kompakter werden und um ein Vielfaches sensitiver messen. Quantenpunkte sind typische moderne nanotechnologische Produkte. Auch Prozessorstrukturen unter 100 nm können als nanotechnologisch gelten, obwohl dies wegen ihrer konventionellen fotolithografischen Herstellung nicht üblich ist. Weitere Einsatzfelder sind Oberflächenbeschichtungen und zahnärztliche Füllmaterialien, bei denen Nanofüllkörper Eigenschaften von Flüssigkeiten annehmen können.

Naturvorbilder und mögliche Einsatzfelder

Viele genutzte Nanoeffekte kommen in der Natur vor. Nanometergroße Haare an Fliegenbeinen ermöglichen das Laufen an Wänden und Decken. Beim Lotoseffekt lassen feine Nanostrukturen Wasser von Lotosblättern abperlen und verringern die Haftung von Schmutz. Unregelmäßige Nanosäulen auf den Flügeln des Glasflügelfalters bewirken Transparenz und reflektieren nur einen Bruchteil der infraroten bis ultravioletten Strahlung. In Muschelschalen und menschlichem Knochen sind organische und anorganische Stoffe im Nanobereich eng angeordnet; dies macht sie sehr stabil und widerstandsfähig. Enzyme, Ribosomen und bakterielle Geißel-Antriebe sind natürliche Nanomaschinen. Bei jeder Verbrennung entstehen zahlreiche Nanopartikel.

Nanotechnologie verbindet verschiedene Fachgebiete und wird deshalb als konvergente Technologie bezeichnet. Physik ist für Untersuchungsmikroskope und Quantenmechanik wichtig, Chemie für gezielte Materie- und Atomanordnungen, Medizin für mögliche Anwendungen bei Krankheiten. DNA lässt sich mit Verfahren wie Polymerase-Kettenreaktion und Phosphoramidit-Synthese manipulieren; daraus können beispielsweise zweidimensionale Kristalle als DNA-Origami oder DNA-Maschinen entstehen.

Absehbare Ziele sind die weitere Miniaturisierung von Mikro- und Optoelektronik sowie neue Werkstoffe wie Nanoröhren. Nanolithographie bezeichnet Strukturierungstechniken der Halbleitertechnik, die Nanometerstrukturen fertigen können. In der Nanomedizin sollen Nanopartikel neue Kontrastmittel für Computertomographie und Magnetresonanztomographie sowie Medikamententransporter oder -depots ermöglichen. Bei einem beschriebenen Ansatz werden eisenoxidhaltige Nanopartikel in die Blutbahn injiziert. Reichern sie sich im Tumor an, kann ein Magnetfeld ihn erhitzen und zerstören; entscheidend ist die gezielte Anreicherung. Nanostrukturierte Oberflächen sollen langlebigere, biokompatible Implantate ermöglichen. In der Landwirtschaft wird in Deutschland im Auftrag des BMELV die Nutzung von Nanofasern als Trägermaterial für Pheromone im biologischen Pflanzenschutz erforscht. Untersuchungen und aktive Formung einzelner Nanostrukturen sind mit Elektronenmikroskop, Rastertunnelmikroskop und Rasterkraftmikroskop möglich.

Risiken, Kritik und Arbeitsschutz

Seit Ende der 1990er Jahre nahm mit großen Zukunftsversprechen auch die Kritik zu. Bill Joy forderte in seinem 2000 erschienenen Artikel „Why the future doesn’t need us“ wegen möglicher Folgen von Gentechnik, Nanotechnologie und Robotik einen Verzicht auf Entwicklung und Nutzung. Wissenschaftliche Institutionen und Nichtregierungsorganisationen veröffentlichten daraufhin Studien und Empfehlungen, die politisch weit auseinandergehen. Die Royal Society und die Royal Academy of Engineering verlangten im Juli 2004 eine stärkere Regulierung. Die ETC Group forderte 2003 ein Moratorium; Greenpeace veröffentlichte im selben Jahr eine kritische Studie.

Studien des Center for Biological and Environmental Nanotechnology an der Rice University zufolge können sich Nanopartikel über die Nahrungskette in Lebewesen anreichern. Dies bedeute nicht zwangsläufig eine Schädlichkeit. Swiss Re äußerte 2004 die Befürchtung, Nanotubes könnten ähnlich auf die Gesundheit wirken wie Asbest, und empfahl Versicherungen begrenzte Schadenssummen. Eine Studie von Allianz Versicherungs-AG und OECD aus dem Juni 2005 betonte internationale Standards, Langzeitbeobachtung und Risikotransfer. Ihr Kernproblem sei die Lücke zwischen dynamischer Entwicklung, Wissen über Gefahren und geltenden Sicherheitsstandards.

Der Artikel verweist zudem auf Labor- und Tierstudien, nach denen Nanopartikel andere biologische Reaktionen auslösen und toxischer sein können als größere Partikel derselben Chemikalien. Eine 2007 vorgestellte Untersuchung der University of Massachusetts stellte fest, dass Nanopartikel in Gewebezellen DNA schädigen und Krebs auslösen können. Daher werden Vorsicht bei Herstellungsverfahren, Begrenzung unkontrollierter Freisetzung und klare Arbeits- und Umweltschutzregeln gefordert.

Am Arbeitsplatz helfen technische Maßnahmen gegen Stäube grundsätzlich auch gegen Nanopartikel und ultrafeine Partikel. Teilchen unter 300 nm werden besonders durch Diffusion infolge Brownscher Bewegung und durch elektrostatische Kräfte abgeschieden. In der Gefährdungsbeurteilung müssen die physikalisch-chemischen Eigenschaften berücksichtigt werden: Nanomaterialien können etwa veränderte Explosionseigenschaften oder erhöhte Leitfähigkeit haben und elektrische Geräte beeinflussen. Bei staubförmigen Nanomaterialien sind zusätzliche Schutzmaßnahmen nötig; reichen technische Maßnahmen nicht aus, soll persönlicher Atemschutz der Filterklasse P3 oder P2 und gegebenenfalls Chemikalienschutz verwendet werden.

Öffentliche Debatte und Information

Die Bekanntheit der Nanotechnologie in Deutschland stieg von 15 % im Jahr 2004 auf 52 % im Jahr 2007. Insgesamt bewerteten 66 % der Menschen die Chancen höher als die Risiken. Besonders im medizinischen Bereich wurden Chancen gesehen, während Nanotechnologie in Nahrung nur von 31 % befürwortet wurde.

2006 richtete das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit die NanoKommission als Beratungsgremium zu Chancen und Risiken für Umwelt und Gesundheit ein. Im Nano-Dialog erarbeiteten Vertreter aus Wissenschaft, Wirtschaft, Bundesministerien sowie Umwelt- und Verbraucherschutzverbänden mit über 100 externen Experten Empfehlungen für die Bundesregierung. Diese wurden am 2. Februar 2011 veröffentlicht.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung startete 2004 den „nanoTruck“, um Chancen, Risiken und Entwicklungspotenziale verständlich und transparent zu vermitteln. Die letzte Tour „Treffpunkt Nanowelten“ lief von April 2011 bis planmäßig März 2015. Die Ausstellung behandelte Grundlagen, Alltagsanwendungen und Risikoforschung; Workshops und Vorträge richteten sich besonders an Schulklassen.