Nano-Technologie

Was ist Nano-Technologie?

Kleine Teile ganz groß – in welche Größenordnung ist es Nano-Technologie?

Nano-Technologie befasst sich mit Materialien und Objekt in Dimensionsordnungen von einem bis einghundert Nanometern, wobei  ein Nanometer nur ein Milliardstel Meter groß ist. Für uns ist das unvorstellbar klein, denn wir können Objekte im Nano-Bereich nicht annähernd mit dem Auge erfassen.

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Nanotechnologie benutzt das aus dem Griechischen stammende Wort NANOS, was so viel wie zwergenhaft bedeutet. Nano-Technologie beschreibt die Herstellung, Untersuchung und Anwendung von Strukturen molekular modifizierten Materialien mit Dimensionen oder mit Herstellungstoleranzen kleiner als 100 Nanometer. Aus der Nano-Skaligkeit der Material-Komponenten entstehen neue Funktionalitäten und Eigenschaften zur Verbesserung bestehender oder Entwicklung neuer Produkte und Anwendungen.

Nano-Versiegelung veredelt Oberflächen mit positiven Eigenschaften wie Superhydrophobie
Nano-Versiegelung veredelt Oberflächen mit positiven Eigenschaften wie Superhydrophobie

Die Nanotechnologie kombiniert Anwendungsbereiche der Physik, Chemie und Biologie. Neben einem Objekt in Nano-Größe ist zum Beispiel eine Bakterie geradezu ein Riese, denn ein Nanometer (Einheit abgekürzt: nm) entspricht einem Milliardstel Meter. Nanoobjekte kommen in verschiedensten Formen vor und bestehen aus einzelnen oder nur wenigen Molekülen. In Kombination können sich mehrerer solcher Teilchen zu größeren Nano-Objekten verbinden, deren modifizierte Eigenschaften man nutzt.

Wie wirkt Nano-Technologie auf die Gesundheit?

Allgemein hält man Nano-Teilchen für etwas Künstliches bis Gefährliches, weil man die Dimesion mit menschlichen Sinnen nicht erfassen kann. Doch Nanoteilchen sind seit längerem bekannt und schon immer Bestandteil unserer Umwelt. Allerdings wurde die Wirkung von Nanoteilchen auf den menschlichen Körper bisher kaum erforscht. Neben natürlichen Nanobestandteilen in Organismen und Pflanzen werden auch bei Oxidations-Prozessen Nanoteilchen freigesetzt und können sich auf Grund ihrer Größe schnell über weite Entfernungen verbreiten. Beispielsweise finden sich in Autoabgasen, Kerzenflammen und Zigarettenrauch Nano-Teilchen, welche uns unter dem Namen Feinstaub bekannt sind. In welcher Weise solche Nano-Teilchen für den menschlichen Körper schädlich sind, wird gerade erst erforscht. Einige dieser Teilchen wurden schon als krebserregend eingeordnet. Bei bewusst mittels Nano-Technologie produzierten Nano-Teilchen verfolgt man das Ziel, neue Materialien mit vorteilhaften Eigenschaften herzustellen. Dass heißt, wenn ein solches Produkt auf den Markt gelangt, steckt intensive Forschung und Erkenntnis dahinter, was dieser Stoff bewirken kann. Bei einer experimentellen Krebstherapie werden zum Beispiel Nanopartikel ins Tumorgewebe eingebracht und mit externer Energiequelle erhitzt, um die Krebs-Zellen zu zerstören.

Nanotoxikologie als Rettungsring für gefährliche Nano-Technologie?

Nanotoxikologie beschäftigt sich mit der Toxikologie sowie der medizinischen und ökologischen Relevanz von Nano-Materialien. „Die Sicherheitsforschung in der Nanotechnologie vereinigt Biologie, Chemie und Physik mit Arbeitsplatzhygiene, Material- und Ingenieurwissenschaften zu einem echten interdisziplinären Forschungsgebiet”, erläutern Harald F. Krug und Peter Wick und stellen fest: „Bei der Interaktion von Nano-Objekten mit Organismen sind einige Besonderheiten zu beachten.” „So können nano-skalige Partikel auf anderen Transportwegen in Zellen gelangen als größeren Partikeln offen stehen.” „Selbstverständlich darf auch nicht vernachlässigt werden, um was für eine chemische Verbindung es sich handelt und in welcher Konformation sie im konkreten Fall vorliegt.”

Weiterführende Info: Nanotechnologie versus Nanotoxikologie – Wohin geht die Reise? Autor: Prof. Dr. Harald F. Krug, Empa – Materials Science & Technology, International Research Cooperations Manager veröffentlich in Praxis der Naturwissenschaften HEFT 4/64. JAHRGANG/2015

Nano-Portal: Sicheres Arbeiten mit Nanomaterialien

Die Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) veröffentlichte bereits 2014 das Nano-Portal zum sicheren Arbeiten mit Nanomaterialien (http://nano.dguv.de). Auf dem Portal werden die Grundlagen der Nano-Technologie ebenso erklärt wie der sich ständig weiter entwickelnde Einsatz der Nano-Technologie. Branchenspezifische Informationen finden sich im “Nanorama KfZ-Werkstatt”, “Nanorama Bau” und “Nanorama Textil”. Offenbar sind das genau die Branchen, in denen Nano-Technologie heute bereits aktiv eingesetzt wird.

Ist Nano-Technologie nachhaltig (langfristig vorteilhaft)?

Wenn es um neue Technologien geht, sollte sich die Menschheit immer die Frage stellen, ob eine solche Technologie auch langfristig zum Wohl aller Menschen und damit ach mit positiver Wirkung auf Umwelt und Gesundheit eingesetzt werden kann und wird. Die Nano-Technologie ist sehr jung und das bereits gesammelte Wissen lässt bereits erahnen, dass uns mit dieser Technologie eine atemberaubende Entwicklung bevorsteht. Wie aber kann man sicher stellen, dass die Nano-Technologie auch zum Wohle aller eingesetzt wird und nicht der Profit-Optimierung Weniger dient? Die gesellschaftliche Diskussion um die Chancen und Risiken Nano-Technologie basierter Anwendungen wird zunehmend kontrovers diskutiert, da es an Wissen und Erfahrungswerten fehlt. Daher ist eine wissenschaftliche Untersuchung den Lebenszyklus von nano-Produkten notwendig, um eine Chancen-Risiko-Abwägungen vornehmen zu können. Auch die methodischen Grundlagen für eine solche Untersuchung müssen erst noch entwickelt werden.

Nano-NachhaltigkeitsCheck – Öko-Institut e.V.

Der Nano-NachhaltigkeitsCheck des Öko-Institut e.V. ist eine “Integrierte Nachhaltigkeitsbewertung und strategische Optimierung von Nanoprodukten”. Öko-Institut e.V. schreibt dazu in seiner Broschüre zum Nano-NachhaltigkeitsCheck: “Aufgrund der gewählten Herangehensweise eignet sich der Nano-NachhaltigkeitsCheck als strategisches Radar für das Management der Chancen und Risiken, um beispielsweise einerseits Umweltentlastungseffekte und neue Märkte identifizieren zu können, andererseits Fehlinvestitionen sowie Gefahren für die Gesellschaft möglichst zu vermeiden. Unternehmen, die Nanoprodukte entwickeln oder herstellen, können mit dem NachhaltigkeitsCheck eigenes unternehmerisches Handeln selbst evaluieren. In der vorliegenden Broschüre werden neben der Beschreibung der methodischen Vorgehensweise auch die Ergebnisse zweier Fallbeispiele vorgestellt, die in einer Pilotuntersuchung den NanoNachhaltigkeitsCheck erstmalig angewendet haben.”

Hersteller wie BASF haben den Anfang gemacht und ihr Produkt “X-Seed” zur Stabilisierung und schnelleren Aushärtung von Beton dem Nano-NachhaltigkeitsCheck unterzogen.

Nano-Technologie in der Eigenverantwortung der Hersteller

Den Herstellern kommt in der Bewertung neu entwickelter Nano-Produkte eine besondere Verantwortung zu, denn eine vom Gesetzgeber vorgeschriebene Prüfung un Zulassung solcher Produkte gibt es bisher nicht. So testen und bewerten die Hersteller ihre Nano-Technologie-Produkte mit selbst entwickelten Methoden. BASF beispielsweise hat sein Produkt “X-Seed” auf die ökologischen, ökonomischen und sozialen Auswirkungen über dessen gesamten Lebensweg mit der SEEBALANCE®, SocioEcoEfficiency-Analyse untersucht.

Welche Anwendungsfelder der Nano-Technologie gibt es?

Nano-Technologie in der Oberflächen-Veredelung

Die Molekül-Teilchen von amorphen Siliciumdioxid (wird für Nano-Versiegelung von beispielsweise Glas verwendet) sind nur ca. 4 bis 40 Nanometer groß und bilden in Ihrem festen Aggregatzustand Molekülstrukturen von 100 bis 250 Nanometer aus. Im Handel gibt eine Menge Versiegelungs-Produkte, welche die Bezeichnung NANO in ihrem Namen tragen. Tragen Sie ihn zurecht und können sie die mit der Nano-Technologie verbundene Erwartungshaltung erfüllen? Nein. Viele dieser Nano-Versiegelungen wie beispielsweise Auto-Polituren haben mit Nano gar nichts zu tun, denn ihre Funktionsweise basiert nicht auf mit Nano-Technologie optimierten Materialien. Nano-Versiegelungen für Oberflächen wie Glas oder Lack sind in ihren Materialien mittels Nano-Technologie optimiert. Genau genommen ist die chemische Zusammensetzung der Molekül-Strukturen so modifiziert, dass die Teilchen der Versiegelung ideal zu den Teilchen der zu versiegelnden Oberfläche passen. So können diese Materialien beispielsweise  starke kovalente Verbindungen (Atombindungen oder Elektronenbindung) eingehen. Kovalente Bindung ist eine Form der chemischen Bindungen ist für den starken Zusammenhalt von Atomen in molekular aufgebauten chemischen  Verbindungen verantwortlich. Kombiniert man die nun ideal passenden Teile mit zusätzlichen Molekülen oder Atomen, so können ganz neue positive Eigenschaften in der Gesamtkomposition entstehen. Damit wird auch klar, dass Nano-Versiegelung nichts mit kleinen gefährlichen Teilchen zu tun hat, die in den menschlichen Körper eindringen wollen oder können, um dort Schaden anzurichten. Vielmehr werden bekannte Materialien durch chemische Reaktionen so optimiert, das neue “veredelte” Materialien entstehen, welche in Ihrer Grundstruktur jedoch bereits bekannt sind.

Nano-Technologie in der Ernährung

Nanopartikeln werden im Lebensmittelbereich gern in Trägersystemen, bei Verpackungsmaterialien und für die Oberflächenbeschichtung eingesetzt. Trägersysteme bieten eine bessere Bioverfügbarkeit von gesundheitsfördernden Inhaltsstoffe und vor unerwünschten Einflüssen wie Sauerstoff, Licht und negativen pH-Werten schützen können. In Verpackungsmaterialien nutzt man die Barriereeigenschaften von nanopartikulärem Ton, um Lebensmittel vor Oxidation und Austrocknung zu schützen. Beimengungen nano-partikularer Stoffe verbessern Eigenschaften und Stabilität von Verpackungen, wie zum Beispiel Titannitrid-Nanopartikel in Getränkeverpackungen. Die Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) überwacht und genehmigt die Verwendung solchen Zusatzstoffe. Nano-Oberflächenbeschichtungen helfen bei der Herstellung von Easy-to-Clean Oberflächen zum Beispiel zur kostensparenden Reinigung von Küchenwerkzegen oder Produktiontechnik von Lebensmitteln.

Besondere Bedeutung hat die Nano-Oberflächenveredelung zur Herstellung von anti-mikrobielle Oberflächen. beispielsweise wird Silber in Nanostrukturen dafür verwendet. Die Erforschung solcher Anwendungsfelder steht jedoch noch ganz am Anfang einer bedeutenden Entwicklung der Materialwissenschaften.

Nano-Technologie in der Medizin

Nano-Technologie hat in der Medizin bereits ihren festen Platz. Mittels sogenannten Nano-Kapseln werden eingeschlossenen Arzneistoffe in genau den Teil des menschlichen Körpers transportiert, in dem Sie ihre medikative Arbeit verrichten sollen. Mit Hilfe solcher Nano-Technologie können Medikamente in ihrer Dosierung optimiert und Nebenwirkungen verringert werden. Nano-Kapseln können natürliche biologische Barrieren wie beispielsweise die Blut-Hirnschranke durchdringen. Die medizinische Forschung  will so neurologische Erkrankungen oder auch Krebszellen besser behandeln ohne gutartiges Gewebe schädigen zu müssen.

Medizinische Diagnose mit Nano-Technologie

Nano-Technologie in der Medizin-Diagnostik

In der medizinischen Diagnostik werden sogenannte Nano-Detektoren eingesetzt, um erkrankte Zellen zu erkennen und zu markieren. Erkranktes Zellmaterial kann so besser befunden und behandelt werden. Der große Vorteil dabei ist, dass beispielsweise Krebszellenbildung viel früher erkannt werden kann, was die Chancen einer Heilung drastisch verbessert. Beispielsweise können mit mittels Nano-Technologie mit Antikörpern beschichteten Kathedern Krebszellen im Blut erkannt werden.

Nano-Technologie in der Krebs-Therapie

Auch in der therapeutischen Medizin wird Nano-Technologie eingesetzt, zum Beispiel zur Desinfektion. Mit Nanosilber beschichtete Wundverbände, Katheter oder chirurgisches Besteck verringern das Infektions-Risiko, denn Silber wirk anti-mikrobiell wirkt. In der Krebs-Therapie werden Nano-Teilchen aus Eisenoxid in das kranke Gewebe eingeschleust, um es mit elektromagnetischen Feldern gezielt wie in einer Mikrowelle zu erhitzen und so die Krebszellen eleminieren. Gesundes Gewerbe kann so geschont werden. Diese Art der Krebs-Therapie hat bereits die wissenschaftliche Testphase hinter sich und wird aktiv in der Praxis eingesetzt.

Nano-Technologie in der Prothetik

Für die Herstellung von künstlichen Organen und Prothesen ist Nano-Technologie von großer Bedeutung, um Abwehrreaktionen des menschlichen Körpers zu verringern. Beispielsweise  werden Prothesen mittels Nano-Technologie mit Oberflächenveredelung aus Diamant behandelt, um Verschleiß zu vermindern und die mechanische Wirkung zu verbessern. Mittels Nano-Beschichtung hergestellte Implantate können so stabiler und langlebiger werden.

Anwendung der Nano-Technologie in der Bauindustrie

Nano-Technologie zur optimierten Herstellung von Beton

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BASF hat mit “X-Seed” einen Beton-Aushärtungs-Beschleuniger entwickelt, der besonders bei der Herstellung von Beton-Fertigteilen hilft, Zeit und Energie zu sparen. Dabei wird dem Beton ein Stoff zugefügt, der darin schon enthalten ist: Calciumsilicathydrat, jedoch in Form von Millionen winziger CSH-Kristalle mit einer Größe von wenigen Nanometern. Aufgrund ihrer Nano-Größe können jedoch bei gleicher Masse mehr Kristallisationskeime in sehr gleichmäßiger Verteilung untergebracht werden. Sie sorgen für ein schnelleres Wachstum der Beton-Kristall-Strukturen. Durch Anlagerung weiterer Moleküle entstehenden verdichtete und verhakte Kristalle, ein kompakter Zementstein.

Nanoskalige Kristallkeime in X-Seed (BASF) lassen Beton schneller härten; Bildquelle: Pressefoto BASF
Nanoskalige Kristallkeime in X-Seed (BASF) lassen Beton schneller härten; Bildquelle: Pressefoto BASF

Nano-Technologie im Fassadenbau

Zahlreiche Produkte befassen sich bereits mit Nano-Versiegelungen für Fassaden.  Dabei handelt es sich in der Regel um eine mineralische Nano-Versiegelung. Diese Fassaden-Versiegelung ist in Ihrer molekularen Teilchen-Struktur so aufgebaut, dass sie kovalente (dauerhafte) Bindungen mit dem mineralischen Fassaden-Material eingehen kann. Dabei werden die “Poren” der Fassade im Nanobereich geschlossen, ohne die diffusionsoffene Wirkung zu verlieren. Ergebnis ist eine schmutzabweisende Fassade mit einer oft als Lotuseffekt bezeichneten Eigenschaft. Farben mit solchen per Nano-Technologie optimierten Eigenschaften erreichen meist auch eine wesentlich höhere Lebensdauer als herkömmliche Fassadenfarben.

Dämmstoffe aus der Nano-Technologie

Die Dämmstoff-Industrie forscht intensiv an den Dämmstoffen der Zukunft. Ein besonderes Augenmerk liegt auf den sogenannten Aerogelen, stark nano-porösen Stoffen, deren Volumen bis zu 99,98 % aus Poren bestehen. Die Porengröße von Aerogelen liegt im Nano-Bereich, wodurch sie zu den Nano-Produkten zählen. Die Wärmeleitfähigkeit in der Luft bei Temperaturen von 300 K ist mit ca. 0,017 bis 0,02 W/(m·K) sehr gering. Das macht Aerogelen zu den bisher effektivsten Wärmedämmstoffen. Aerogele auf Silikatbasis sind dabei die am weitesten Erforschten und werden bereits aktiv eingesetzt. Aerogele werden als lose Dämmstoffe für Hohlräume angeboten, aber auch als Matten. Der Hersteller Elisto beispielsweise produziert die Aerogel Dämmmatte ultrawool 650 MX in einer Stärke von 10 mm und einer Isolierwirkung vo λ = 0,016 W/mK. ultrawool 650 ist das erste Produkt in Rollenform, welches derartige Isolierwerte erreicht. Mit Aerogelen als Zuschlagsstoffe wurde auch ein Hochleistungs-Dämmputz entwickelt, der wesentlich besser dämmt als ein herkömmlicher Dämm-Putz. So können zum Beispiel historische Bauten energetisch saniert werden, ohne das Erscheinungsbild zu ändern. Die Firma PROCERAM GmbH & Co.KG hat einen solchen Dämmputz entwickelt und vertreibt ihn unter dem Markennamen AEROBRAN® Mit einer Wärmeleitzahl von λD = 0,028 W/mK ist dieser Dämm-Putz um vielfach leistungsfähiger, als herkömmliche Putzsysteme.

Derzeit sind die Kosten für die Herstellung von Aerogelen jedoch noch recht hoch.

Nano-Technologie in der Beschichtung von Glas (Nano-Versiegelung)

Glas besteht als amorpher Feststoff meist aus Siliziumdioxid (SiO2). Seine Oberfläche ist im Nanobereich als diffus zu bezeichnen und bietet Angriffsfläche zur Korrosion und mechanischen Zerstörung. Moderne Nano-Versiegelung macht sich das zunutze und konstruiert mittels Nano-Technologie die passenden Nano-Teilchen, um mittels Glas-Versiegelung diese Oberfläche aufzufüllen und zu glätten. Mit sogenanntem Wasserglas werden mittels Nano-Technologie optimierte amorphe, wasserlösliche Natrium-, Kalium- und Lithiumsilicate oder ihre wässrigen Lösungen (Natronwasserglas, Kaliwasserglas oder Lithiumwasserglas) verwendet, um die Glasoberfläche durch Verkieselung zu versiegeln.

Mit dieser Nano-Technologie werden heute ganze Glasfassaden von Hochhäusern nachträglich “veredelt” um mit Hilfe der wasser- und schmutzabweisenden Wirkung Reinigungs-Zyklen zu verlängern und so erheblich Kosten zu sparen.

Auch im privaten Bereich wird diese Nano-Technologie genutzt, um Fenster-Glas, Duschwände und Glastüren mittel Nano-Glas-Versiegelung in Easy-to-Clean-Oberflächen z verwandeln.

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Wie kann man Nano-Teilchen messen und kontrollieren?

Die Nanometrologie (nanos = altgriechisch: Zwerk, metron = griechisch: messen, Maß) ist die Wissenschaft bzw. Anwendung von Messungen der Dimensionen von Objekteigenschaften, Abständen, Verschiebungen im Bereich 1 bis 1000 nm. Mit sich immer schneller entwickelnden Nanotechnologie ist der Bedarf zur Qualitätssicherung in Nano-Größenordungen entstanden. Herkömmliche Mess-Methoden und Mess-Techniken sind auf Grund von physikalischen Skaleneffekten nicht 1:1 auf die Nano-Dimension übertragbar. Die Nanometrologie ist ein Gebiet aktueller Forschung.