Nanopartikel

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Die Begriffe Nanopartikel bzw. Nanoteilchen bezeichnen Verbünde von einigen wenigen bis einigen tausend Atomen oder Molekülen. Der Name Nano bezieht sich auf ihre Größe, die typischerweise bei 1 bis 100 Nanometern liegt: Ein Nanometer (Abkürzung: nm) entspricht 10−9 = 0,000 000 001 Meter = 1 Milliardstel Meter. „nano“ leitet sich aus dem Griechischen „nanos“ für „Zwerg“ oder „zwergenhaft“ ab.

Vorkommen und Herstellung

Nanopartikel können sowohl auf natürlichem Wege (etwa Vulkanausbruch oder Waldbrand) als auch durch anthropogene (vom Menschen verursachte) Einflüsse, wie Kfz- und Industrieabgase, in die Umwelt gelangen.

Synthetische Nanopartikel sind künstlich hergestellte Teilchen, die gezielt mit neuen Eigenschaften und/oder Funktionalitäten ausgestattet sind, wie z. B. elektrische Leitfähigkeit, chemische Reaktivität. Synthetische Nanopartikel können entsprechend ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften untergliedert werden. In der Forschung und Anwendung weit verbreitete Gruppen sind:

Kohlenstoffhaltige Nanopartikel können in unterschiedlichen Formen vorliegen:

Während Fullerene und Nanoröhren synthetisch hergestellt und daher in ihrer Struktur klar definiert sind (z. B. Buckminster-Fulleren aus 60 Kohlenstoffatomen), versteht man unter Carbon black lediglich sehr kleine Kohlenstoffteilchen, die z. B. auch bei Verbrennungsprozessen entstehen können. Für Nanopartikel gibt es viele mögliche Anwendungsgebiete. So könnten sie z. B. zur Verbesserung diverser Materialien im Haushalt genutzt werden. In der Medizin könnte man mit Hilfe von Nanopartikeln einen zielgerichteten Transport von Medikamenten im Körper oder eine schonendere Form der Krebstherapie erzielen. Auch in der Elektrotechnik könnten Nanopartikel dazu beitragen, z. B. leistungsfähigere und kleinere Computer zu ermöglichen.

Das hohe Nutzenpotential hat einen drastischen Anstieg in Herstellung und Anwendung der unterschiedlichsten Arten von Nanopartikeln zur Folge, doch es eröffnet sich auch ein breites Spektrum an möglichen Gefahren für uns und unsere Umwelt. Es ist noch äußerst unklar, welche Nanopartikel eine Wirkung auf Organismen haben. Um die möglichen Gefährdungen, welche von den Nanopartikeln während ihrer Herstellung, Verwendung und Entsorgung für die Umwelt ausgehen, abschätzen zu können, wurde die Nanoökotoxikologie etabliert. Sie entstand neben der bis dahin bereits bestehenden Ökotoxikologie, da Nanopartikel neuartige chemische und physikalische Eigenschaften aufweisen.

Eigenschaften nanoskaliger Partikel

„... jedes Material, das man in den Nanomaßstab bringt, besitzt einzigartige Eigenschaften – sowohl physikalisch, chemisch, morphologisch wie auch biologisch.“

– Philip Democritou[1]

Nanoteilchen besitzen spezielle chemische und physikalische Eigenschaften, die deutlich von denen von Festkörpern oder größerer Partikel abweichen. Dies sind unter anderem:

  • höhere chemische Reaktivität durch große spezifische Oberfläche (große Teilchenoberfläche im Verhältnis zum Volumen) möglich
  • geringer Einfluss von Massenkräften (Gewichtskraft) und zunehmender Einfluss von Oberflächenkräften (z. B. Van-der-Waals-Kraft)
  • zunehmende Bedeutung von Oberflächenladung (siehe DLVO-Theorie) sowie thermodynamischen Effekten (Brownsche Molekularbewegung)
  • daraus können stabile Suspensionen aber auch Aggregatbildung resultieren
  • spezielle optische Eigenschaften
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Letztendlich beruhen diese Eigenschaften der Nanopartikel auf der extrem hohen Oberflächenladung, die Kompensation sucht. Diese erhöhte Reaktivität begrenzt jedoch die Lebensdauer als „singuläre Nanopartikel“ auf sehr kurze Zeiten. Wenn keine gezielte Isolation durch Ionen- bzw. Micellenbeladung erfolgt, kommt es sehr schnell zu Ladungsausgleich durch Agglomeration bzw. Aggregation (z. B. durch Ultraschall-Beschallung und Vortexen), die gemäß dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik nur unter Einsatz entsprechend hoher Energieeinträge wieder zu lösen ist. Diese Lebensdauer singulärer Nanopartikel kann ein Kriterium bei der Risikobewertung darstellen und gelegentlich die Einbeziehung nanostrukturierter Materialien in Risikobewertungen ausschließen.

Spezielle Nanoteilchen

Carbon black

Graphit (eine Form des Kohlenstoffs, neben Diamant und Fulleren) ist die Grundstruktur des Carbon black und ein weiches, schwarz-metallisch glänzendes Material, das sowohl in natürlicher Form vorkommt als auch künstlich hergestellt werden kann. Die Kristallstruktur des Graphits besteht aus vielen übereinanderliegenden parallelen Schichten, die in Größe und Anordnung variieren können. Innerhalb dieser Schichten kondensieren sp2-hybridisierte Kohlenstoffatome zu aromatischen Sechsringen und bilden ein konjugiertes π-System.

Carbon black ist die englische Bezeichnung für Industrieruß, der unter kontrollierten Bedingungen gezielt hergestellt wird und physikalisch und chemisch definiert ist. Dem gegenüber steht der Kamin- bzw. Dieselruß, der als nicht genau definiertes Nebenprodukt bei der Verbrennung von Kohle bzw. Kohlenwasserstoffen entsteht[2][3][4].

Carbon black besteht zu 96–99 % aus Kohlenstoff, die restlichen Anteile sind Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel, die größtenteils (in funktionellen Gruppen) an der Oberfläche chemisch gebunden sind. An den Ecken und Kanten der aromatischen Verbindungen ist die Oberflächenenergie am größten, so dass eine Adsorption von Gasen und Flüssigkeiten bevorzugt stattfindet[2][3].

Die Oxid-Gruppen auf der Porenoberfläche haben den größten Einfluss auf die physikochemischen Eigenschaften des Carbon blacks, wie die Wasseradsorptionsfähigkeit und katalytische, chemische und elektrische Reaktivität. Hauptsächlich bilden sich dabei basische Hydroxyl-, saure Carboxyl- sowie Carbonyl- und Lacton- Gruppen auf der Oberfläche. Bei der Herstellung von Aktivrußen können dabei funktionelle Sauerstoffgruppen mit einem Massenanteil von bis zu 15 % eingeführt werden[3].

Fullerene

Die Fullerene sind braun-schwarze Pulver von metallischem Glanz. Sie lösen sich in manchen organischen Lösungsmitteln (z. B. Toluol) unter charakteristischer Färbung. Fullerene gehen bei ca. 400 °C vom festen in den gasförmigen Zustand über.

Halbleiter

Halbleiter-Nanopartikel besitzen spezielle Fluoreszenzeigenschaften. Wie bei makroskopischen Halbleitern gibt es eine Bandlücke, d. h., durch optische Anregung können Excitonen (Elektron-Loch-Paare) erzeugt werden, die bei Rekombination Photonen emittieren, d. h., in Form von Fluoreszenz Licht ausstrahlen. Das besondere bei Halbleiternanopartikeln ist, dass die Energie der Photonen (also der Energieabstand von Grundzustand zu angeregtem Zustand) nicht nur vom Material, sondern auch von der Partikelgröße abhängt. Somit lassen sich aus demselben Material Partikel herstellen, die in verschiedenen Farben fluoreszieren, wobei sich die Farbe (Emissionswellenlänge) durch die Partikelgröße einstellen lässt. Kleine Partikel emittieren bei kleinerer Wellenlänge (größerer Photonenenergie), größere Partikel bei größeren Wellenlängen (kleinerer Photonenenergie). Dies ist durch die Quantenmechanik erklärbar ("„Teilchen im Kasten“-Modell), sogar im einfachsten Modell wird deutlich, dass durch die räumliche Beschränkung (die Elektronen müssen sich innerhalb des Partikels befinden) der Abstand der Energieniveaus von den räumlichen Dimensionen (d. h. der Partikelgröße) abhängig ist. Solche Systeme werden auch als Quantenpunkt bezeichnet, gängige Materialien sind z. B. CdSe und CdTe. Oxidmaterialien besitzen eine sehr große Bandlücke und sind optisch transparent. Durch Dotierung mit Fremdatomen können sie zur Phosphoreszenz gebracht werden.

Kohlenstoffnanoröhren

Kohlenstoffnanoröhren (englisch:carbon nanotubes, CNT) bestehen aus zylinderförmigen Graphitlagen und besitzen einen Durchmesser von 1–100 nm. Die Form der Nanoröhren kann einwandig, mehrwandig oder Y-förmig sein. Sie weisen u. a. eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Reißfestigkeit und extreme Elastizität auf, außerdem sind sie sehr strapazierfähig. Sie haben eine 10-mal höhere Zugfestigkeit als Stahl;[5]. Je nach Detail der Struktur ist die elektrische Eigenschaft innerhalb der Röhre leitend oder halbleitend.

Metalle

Gegenüber Metallen in größeren Konfigurationen haben metallische Nanopartikel veränderte chemische Eigenschaften. Dies begründet sich in ihrer geringeren Größe und dem daraus resultierenden sehr hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis. So weist z. B. kolloidales Gold eine stärkere katalytische Wirksamkeit auf und zeigt, bei sehr kleinen Goldnanopartikeln, einen drastisch niedrigeren Schmelzpunkt[6].

Zudem zeigen Alkalimetall-, Kupfer-, Silber- und Goldnanopartikel andere optische Eigenschaften im Vergleich zu den gleichen Metallen in größeren Anordnungen. Sie zeigen in Dispersion eine breite Absorptionsbande im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums und besitzen somit eine intensive Farbe (charakteristische Farbe von Gold-Kolloiden: rot bis purpurrot)[7]. Dieser Effekt wird durch Partikelplasmonen hervorgerufen.

In der Biochemie und Zellbiologie werden Nanopartikel zur Aufnahme in Zellen verwendet. Zur Änderung der Funktion der Nanopartikel und zur Vermeidung einer Aggregation werden diese Partikel beschichtet, z. B. zur Bindung von Proteinen bei der zur Transmissionselektronenmikroskopie verwendeten Immunogold-Färbung oder zur Bindung von DNA bei der Munition der Genkanone.

Nanofasern

Nanowasser

Ende 2013 gelang es Forschern in den Vereinigten Staaten von Amerika erstmals, stabile Nanowasser-Tropfen zu erzeugen – mit einem Durchmesser von 25 Nanometern. Dies gelang mittels Elektrospray. Aufgrund der gegenüber normalen Wassertropfen vergrößerten Oberflächenspannung blieben die Nanowassertropfen bis zu vier Stunden stabil und konnten für gewisse Zeit in der Luft schweben, ohne zu verdunsten. Darüber hinaus waren bei der Aufspaltung des Wassers durch den Elektrosprayprozess entstehende hoch reaktive Sauerstoffradikale wie Hydroxyl-Radikale und Superoxide in die Nanotropfen eingekapselt. Aufgrund der zusätzlichen Ionisierung waren die Tropfen dann extrem aggressiv: sie rissen Löcher in die Zellmembran in der Luft schwebender Bakterien und töteten sie auf diese Weise. Dieser Vorgang führte zur Bildung des Begriffs Nanobombe für die Wasserteilchen. Infolge wurde über die Verwendung von Nanowasser als – völlig rückstandsloses – Desinfektionsmittel diskutiert. Bei Inhalationsversuchen mit Mäusen wurde eine toxikologische Wirkung z. B. in deren Lungen nicht gefunden, da die Nanowasserteilchen vermutlich auf wässrigen Oberflächen sofort neutralisiert würden."[1]

Titandioxid

Abgrenzung zu Aerosol

Aerosol ist die Sammelbezeichnung für die in Gasen mitschwebenden, feinst verteilten (dispergierten), festen und flüssigen Teilchen (Schwebstoffe) unterschiedlicher Größe. Für Nanopartikel, die im Gas suspendiert sind, gelten die gleichen Naturgesetze – unabhängig davon, ob sie absichtlich oder unabsichtlich erzeugt wurden.

Nanopartikel in Aerosolen haben z. T. eine kurze Lebensdauer von nur wenigen Stunden, da sie aufgrund ihrer hohen Diffusivität schnell mit größeren Partikeln koagulieren.[8]

So können sich gänzlich neue Aerosolpartikel in der Atmosphäre bilden. Durch Experimente in der Expansionskammer ist es gelungen, Aerosole im Nanobereich von einem bis drei Nanometern zu untersuchen sowie die Bildung neuer Aerosolpartikel in der Atmosphäre nachzustellen.[9]

Der Bereich der Aerosolnanopartikel von 1 bis 10 nm ist von besonderem Interesse, da in dieser Größenordnung Quanteneffekte auftauchen und die Bildung von kritischen Clustern und darauffolgend größeren Aerosolpartikelmolekülen zu beobachten ist. Ab einer gewissen Partikelgröße werden sie schwerflüchtig, und es können sich Kondensationskeime in einer Größenordnung von 100 nm herausbilden.[10][11]

Herstellung

Es haben sich verschiedene Verfahren zur Herstellung von Nanoteilchen etabliert: Man unterscheidet zwischen Bottom-Up und Top-Down Verfahrensweisen, je nachdem ob ein Material nanostrukturiert wird (Top-Down) oder z. B. Partikel aus einer fluiden Phase synthetisiert werden.,

Top-Down-Verfahren :

  • Mahlprozesse
  • Laserablation

oder über Lithographische Verfahren wie:

Bottom-Up-Verfahren:

Je nach Einsatzgebiet der Nanoteilchen ist meist eine genau definierte und enge Partikelgrößenverteilung erforderlich. Abhängig von der chemischen Natur der gewünschten Nanoteilchen eignet sich das eine oder andere Verfahren besser, um ein gutes Ergebnis zu erreichen. Meist liefern Verfahren in Lösung oder Verfahren der Selbstorganisierung die besten Ergebnisse. Diese sind aber großtechnisch nur schwer oder gar nicht durchführbar.

Verwendung

Nanoelektronik

Es ist gelungen, logische Schaltkreise aus Kohlenstoff-Nanoröhren und aus Halbleiter-Nanokabeln zu bilden. Dies könnten die ersten Schritte zur Verwirklichung von Nanocomputern sein.[12][13] Darüber hinaus konnten erste logische Schaltungen mit Zinkoxid-Nanopartikeln demonstriert werden.[14] Auf Grund der Durchlässigkeit für elektromagnetische Wellen im sichtbaren Wellenlängenspektrum sind diese Schaltungen besonders interessant für die Realisierung von transparenter Elektronik.[15] Zusätzlich lässt sich das Zinkoxid in seiner nanopartikulären Form auch in Druckprozessen abscheiden,[16] so dass eine Schaltungsintegration im Druckverfahren möglich ist. Da die Leistungsfähigkeit jedoch durch die relativ geringe Ladungsträgerbeweglichkeit reduziert ist, eignen sich die Bauelemente hauptsächlich für sogenannte low-cost/low-performance-Anwendungen. Hierunter fallen zum Beispiel RFID-Tags oder einfache sensorische Aufgaben. Nanokristalle aus Indium-Arsenid werden verwendet, um lichtemittierende Dioden (LEDs) herzustellen. Die Strahlungswellenlänge liegt bei der von Telekommunikationssystemen. Ein Anwendungsgebiet könnte die Telekommunikationstechnik sein.[17]

Nanomaterialien

Nanopartikel werden bereits bei der Herstellung vieler Produkte verwendet. Als ältester Nanowerkstoff wird teilweise Beton genannt, obwohl erst lange nach seiner ersten Verwendung erkannt wurde, dass dieser seine Festigkeit Kristallstrukturen verdankt, die lediglich einige Nanometer groß sind. Ob „Marmor von der Rolle“, Fassadenputz, der durch Beimischung von Nanoteilchen Schadstoffe und unangenehme Gerüche beseitigt oder Nanoteilchen auf Dachziegeln, die ein Wachstum von Algen verhindern sollen – es gibt sehr viele Möglichkeiten, Materialien mit Hilfe der Nanotechnologie zu verbessern.[18]

Etliche kosmetische Produkte, wie verschiedene Sonnencremes, Deodorants und Zahnpasten enthalten Nanopartikel, wie Titandioxid (TiO2) (E 171) und Aluminiumoxid (Al2O3). Auch Lebensmitteln werden bereits Nanopartikel beigesetzt. In Tomaten-Ketchup dient Siliziumoxid als Verdickungsmittel, Titandioxid wird zur Aufhellung von Salatdressings verwendet und Aluminiumsilikat wirkt der Verklumpung pulverförmiger Lebensmittel entgegen.[19]

Weitere Beispiele sind Nanopartikel in Farben und Lacken sowie Imprägniermitteln für alle Arten von Oberflächen, welche Schutz vor mechanischer Beschädigung bieten sollen.

Im Oktober 2009 warnte das Umweltbundesamt vor Gesundheitsgefahren, die aus dem industriellen Einsatz von Nanotechnologie in Nahrungsmitteln, Kleidungsstücken, Kosmetika und anderen Produkten resultieren können.[20] Kurz darauf relativierte das Umweltbundesamt seine Aussagen jedoch wieder.[21] Führende Schweizer Wissenschaftler äußerten sich ebenfalls überrascht über die Aussagen des Umweltbundesamtes in seiner Studie aus dem Oktober 2009.[22]

Nanotechnik in der Medizin

Durch die Nanotechnologie eröffnet sich ein weites hypothetisches Feld für medizinische Anwendungen.

  • Ein Beispiel ist das Wachstum künstlicher Knochen durch das Implantieren von beschichteten Titan-Grundgerüsten, auf denen sich der Knochenbestandteil Hydroxylapatit anlagern kann.[23] Außerdem ist ein Knochenersatzmaterial entwickelt worden, welches aus Hydroxylapatit besteht. Knochenbildende Zellen können aufgrund der nanokristallinen Struktur des Ersatzmaterials einwandern und die Knochenersatzmasse durch natürlichen Knochen ersetzen.[24]
  • Die speziellen Eigenschaften der Nanomaterialien können genutzt werden, um gezielt die Blut-Hirn-Schranke für Therapeutika passierbar zu machen.[25] Auch das gezielte Einbringen von Medikamenten in den Körper könnte durch die Nanotechnologie ermöglicht werden. Durch die gewebespezifische Behandlung sollen minimale Nebenwirkungen erreicht werden. Die Oberflächenbeschaffenheit der injizierten Substanz ist entscheidend für ihre weitere Zielbestimmung im Körper. So werden Partikel mit einer wasserabweisenden Oberfläche schnell vom Immunsystem erkannt und beseitigt. Durch das Beschichten der Partikel mit Molekülen, die vom Immunsystem nicht als fremd erkannt werden, kann dieser Prozess umgangen werden. Ein Beispiel hierfür ist die Injektion von Liposomen (mikroskopisch kleine Bläschen aus Phospholipiden), die mit bestimmten Molekülen beschichtet wurden. Liposomen können beispielsweise in der Krebstherapie eingesetzt werden, da die Blutgefäße in Tumorzellen eine größere Durchlässigkeit für die Liposomen haben als die Blutgefäße in gesunden Geweben. Somit reichern sich die Liposomen in den Tumoren an. Wirkstoffe können so gezielt eingesetzt werden.[24]
  • Zur Aufnahme von Substanzen besitzen Zellen unter anderem einen Mechanismus, der rezeptorvermittelte Endocytose genannt wird (siehe Membrantransport). Hierbei haben Rezeptoren an der Oberfläche der Zellen die Funktion, Substanzen mit passenden Oberflächenmolekülen zu erkennen und die Aufnahme der Substanz in die Zelle einzuleiten. Die Rezeptoren variieren von Zelltyp zu Zelltyp bzw. von Gewebe zu Gewebe. Beschichtet man die gewünschte Substanz mit Biomolekülen, wie z. B. monoklonalen Antikörpern (siehe Antikörper) oder Zuckerresten – die hochspezifische Eigenschaften haben können und somit nur von bestimmten Zellrezeptoren erkannt werden können – ist es möglich, die Substanz in ein ganz bestimmtes Körpergewebe zu dirigieren.[26]
  • Durch gezielte Markierung bestimmter Zellen (z. B. Stammzellen, dendritische Zellen) beispielsweise mit Nanopartikeln aus Eisenoxiden, lassen sich die zu therapeutischen Zwecken verabreichten Zellen nicht-invasiv mit bildgebenden Techniken wie der Magnetresonanztomographie zu verschiedenen Zeitpunkten darstellen.[27]
  • Eine erste Krebsbehandlung mit Nanopartikeln aus Paclitaxel-Albumin ist bereits mit dem Medikament Abraxane (Hersteller Celgene) beim metastasierten Mammakarzinom (Brustkrebs) zugelassen. Die Krebsbehandlung mit Nanopartikeln aus Eisenoxid stellt ein weiteres Forschungsgebiet dar (siehe Nanotechnologie).
  • Mit in magnetisch beeinflussbare Nanohüllen eingelagerten Rinderspermien gelangen unter Laborbedingungen bereits so genannte „assistierte“ künstliche Befruchtungen.[28]

Militärischer Einsatz

Die vielfältigen Einsatzgebiete der Nanotechnik eröffnen auch der Nutzung im militärischen Bereich neue Möglichkeiten. So sind beispielsweise kleine, eingebaute Rechner in Waffen oder Uniformen denkbar und auch das Implantieren von Nanotechnik in die Körper von Soldaten beispielsweise zur Kommunikation, Überwachung oder der Abgabe von Medikamenten.[29] Ebenso sind im Bereich der biologischen und chemischen Waffen neue Anwendungen absehbar, auch zur Detektion und medizinischen Behandlung.

Umwelttechnische Potentiale

Das Verhältnis von Nutzen und Gefahren der Nanotechnologie ist umstritten. Die Technologie könnte Potentiale zur Entlastung der Umwelt bieten, allerdings befinden sich viele der Anwendungen noch in der Entwicklung.

Das Umweltbundesamt empfiehlt in einer Studie, Produkte mit den kleinen Partikeln so lange zu vermeiden, wie ihre Wirkungen in der Umwelt und auf die menschliche Gesundheit noch weitgehend unbekannt sind.[20] Eine japanische Studie kam zu dem Schluss, dass Nanopartikel die Hirnentwicklung bei Föten beeinflussen können. Mehrere auf Tierversuchen basierende Studien zeigten wiederholt, dass Nanopartikel zu Entzündungen der Lunge führen.[20]

  • Nanomaterialien können als Bindemittel für Umweltgifte genutzt werden. So wurde am Beispiel zweier als natürliche Nanopartikel vorkommende Minerale (Allophan und ein Smektit) nachgewiesen, dass diese eine hohe Aufnahmekapazität für Schadstoffe wie z. B. Kupfer oder Naphthalin besitzen.[30]
  • Von der Rice University wurde ein kostengünstiges Entfernen (Filterung) von Arsen aus Trinkwasser unter Verwendung von Nano-Magnetit entwickelt.[31]
  • Nanotechnikbasierte Sensoren sollen sich wegen ihres geringeren Gewichtes sehr energieeffizient betreiben lassen. Diese Sensoren werden vorrangig für den biomedizinischen und im militärischen Bereich entwickelt. Auch in der Umweltanwendung für den optimierten und spezifischen Nachweis biologischer und chemischer Verunreinigungen können sie verwendet werden.
  • Mit dem Einsatz nanotechnikbasierter Leuchtdioden (LED) lässt sich angeblich für die Beleuchtung eine drei- bis fünffach erhöhte Energieeffizienz im Vergleich zur Beleuchtung mit einer herkömmlichen Kompaktleuchtstoffröhren erreichen. Die Verwendung von Farbstoffsolarzellen verspricht laut UBA eine höhere Effizienz des Lichteinfangs durch nanometerfeine Verteilung eines lichtabsorbierenden Farbstoffs.[25]
  • Auch die Wasserqualität kann angeblich verbessert werden. Durch die Anwendung nanotechnikbasierter Durchflusskondensatoren zur Meerwasserentsalzung soll im Vergleich zur herkömmlichen Umkehrosmose oder Destillation über 99 Prozent der aufzubringenden Energie eingespart werden. In der Abwasserbehandlung lässt sich vorbehandeltes Abwasser durch nanoporöse Membranen von Krankheitserregern befreien und so deren Verbreitung in der Umwelt verhindern.
  • In modernen Autoreifen werden bereits Siliziumdioxid- und Nanorußpartikel zur Materialverstärkung eingearbeitet. Sie sollen einen geringeren Rollwiderstand bewirken und so dabei helfen, bis zu zehn Prozent Kraftstoff einzusparen.[25]
  • Die Abgasreinigung bei Kraftfahrzeugen soll durch nanoporöse Filter verbessert werden um Rußpartikel aus Abgasen zurückzuhalten.[25]
  • In der Schädlingsbekämpfung könnten durch ultradünne Nanopolymere giftige organische Biozide ersetzt werden.
  • Durch die Verringerung der Schichtdicke von Lacken lassen sich Rohstoffe einsparen. Ferner könnten angeblich auf umwelt- und gesundheitsbedenkliche Chrom-VI-Lacke beim Korrosionsschutz für Metalle wegen nanotechnikbasierter Oberflächen verzichtet werden.[25] Die Verwendung nanopartikelhaltiger Autolacke verspricht durch die keramikartige kristalline Struktur mehrerer hauchdünner Schichten einen geringeren Verschleiß. Laut Mercedes verfüge dieser Nanolack, der bereits seit zwei Jahren verwendet wird, nach rund 100 Waschstraßendurchfahrten noch über 72 Prozent „Restglanz“, beim herkömmlichen Lack sei bei gleicher Belastung nur noch 35 Prozent der Neuwagen-Brillanz übrig. Dieser Lack trägt also dazu bei, dass man sein Auto nicht so oft waschen müsste und somit Wasser einsparen könnte und das Grundwasser weniger verunreinigt. Laut Angaben der Hersteller sei kein Gesundheitsrisiko vorhanden, da die Nanopartikel in einer Matrix gebunden vorliegen. Ähnliche Nanolacke werden auch als Wandfarbe verwendet.[32]

Entsorgung

Laut einem Artikel des Bundesministeriums für Umwelt (BMU) sind Überlegungen zur Entsorgung von Nanopartikeln immer noch mit einem Fragezeichen versehen.[33] Beim Erstellen von Entsorgungsrichtlinien muss berücksichtigt werden, ob die Partikel frei oder an eine Matrix gebunden vorliegen, ob sie wasserlöslich sind oder nicht, ob sie zerfallen oder sich zusammenlagern. Es gibt nicht „das Nanopartikel“, jeder Stoff muss individuell betrachtet werden, und dazu müssen zunächst die verschiedenen Partikel charakterisiert und normiert werden.[34]

Zur Entsorgung von Nanopartikeln gibt es bislang nur wenige Erfahrungen und Erkenntnisse. Erste wissenschaftliche Untersuchungen im Zusammenhang mit ihrer Verbrennung zeigten, dass sie dabei weitestgehend nicht in den Abgasstrom gelangten, sondern in der jeweiligen Asche und Schlacke verblieben. Weitere Untersuchungen sind im Gang: unklar ist zum Beispiel, was mit ins Wasser oder Klärschlamm gelangten Nanopartikeln aus beispielsweise Kosmetika geschieht.[35]

Mögliche Risiken

Die enorme Reaktivität von Nanopartikeln und der drastische Anstieg in Herstellung und Anwendung der unterschiedlichsten Arten von Nanopartikeln können ein breites Spektrum an möglichen Gefahren für Mensch und Umwelt eröffnen. Die Erweiterung der Produktpalette zu Gunsten des Verbrauchers kann große Vorteile mit sich bringen, allerdings müssen Vor- und Nachteile der bereits angewandten Nanotechnologien und der verwendeten Materialien sorgfältig abgewogen werden.[36] Zahlreiche Untersuchungen zeigen mögliche umweltschädigende und gesundheitsschädliche Aspekte der Nanotechnologien auf, so zum Beispiel die Aufnahme der Partikel in den Organismus über die Atemwege, die Haut und den Mund, sogar bei schon auf dem Markt befindlichen Produkten wie Kosmetika und Nahrungszusatzstoffen. Dabei ist eine Gefährdung von Mensch und Umwelt durch die derzeit verwendeten Nanomaterialien nicht nachweisbar.(Quelle fehlt) Umgekehrt kann jedoch auch nicht von einer generellen Unbedenklichkeit ausgegangen werden, so das Umweltbundesamt im Jahre 2016. Aus wissenschaftlicher Sicht spricht jedoch nichts dagegen, dass Nanomaterialien mit Umweltzeichen ausgezeichnet werden können.[37]

Mechanische Toxizität

Aufgrund ihrer geringen Größe mit den damit verbundenen besonderen mechanischen Eigenschaften (Verklumpungsfähigkeit) erweisen sich Nanopartikel wie Titandioxid in Versuchen als giftig in einer bisher mit Tests nicht erfassbaren und erfassten Weise.[38]

Risiken für den Menschen

Nanopartikel können auf Grund ihrer kleinen Ausmaße (10–100 nm) über die Haut, die Atemwege (vgl. Einatembare Fraktion) und über den Magen-Darm-Trakt in den Körper aufgenommen werden und sich dort über den Blutkreislauf im gesamten Organismus verteilen.

Bei Herstellung, Konsum und Verwendung von nanopartikelhaltigen Produkten kommen Menschen mit diesen potenziell gesundheitsschädlichen Substanzen in Kontakt. Werden die Partikel in den Organismus aufgenommen, könnten sie dort erheblichen Schaden anrichten und Ursache für Krankheiten sein. Hierzu laufen zahlreiche Untersuchungen, welche die derzeitigen Kenntnisse zur Toxikologie und Ökotoxikologie von Nanomaterialien erweitern sollen. Eine Gefährdung der Arbeitnehmer bei der Herstellung von Nanomaterialien kann bei Befolgung der geltenden Regeln zur Sicherheit am Arbeitsplatz ausgeschlossen werden.

Grundsätzlich muss darauf hingewiesen werden, dass in bislang durchgeführten Untersuchungen keine einheitlichen Standards für die Charakterisierung der verwendeten Materialien und für die Durchführung der Messung angewandt wurden. Forschungsprojekte wie das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützte Projekt NanoCare stellen hier erste verbindliche Arbeitsanweisungen zu Verfügung.

  • Bei der Verwendung von Nano-Imprägniersprays beispielsweise können Nanopartikel über die Atemluft in die Lunge aufgenommen werden. In der Lunge gelangen Nanopartikel bis in den Bereich der Lungenbläschen (Alveolen), im Unterschied zu größeren Partikeln. Sie werden dort zum Auslöser heftiger Entzündungen des Lungengewebes. Außerdem findet an dieser Stelle ebenfalls der Übertritt der Partikel in die Blutbahn statt[39]. Dabei treten kleinere Partikel einfacher in das Blut über und können anschließend die Blut-Hirn-Schranke durchdringen.[25][40].
  • Bei einer 2009 veröffentlichten Untersuchung der Wirkung von Kohlenstoffnanoröhrchen auf das Lungengewebe von Mäusen wurde deutlich, dass die Röhrchen wie Asbestfasern zum Brustfell vordringen [41]. Dort sammelten sich in Folge Fresszellen des Immunsystems, zwei Wochen nach Einatmen des Feinstaubes (in einmaliger, hoher Dosis) bildeten sich Narben am Lungengewebe, das Gewebe wurde also gereizt. Die Forscher befolgen dieselben Vorsichtsmaßnahmen wie bei der Verwendung von Asbest, solange das Risiko nicht deutlicher geklärt ist.
  • Grundsätzlich konnte nachgewiesen werden, dass Nanopartikel, die über die Riechschleimhaut aufgenommen werden, über die Nervenbahnen des Riechkolbens und unter Passage der äußerst selektiven Blut-Hirn-Schranke in das Gehirn gelangen.[42] Der Schutz des Gehirns vor hochreaktiven und vermutlich gewebeschädigenden Substanzen ist somit aufgrund der Größe der Nanopartikel nicht mehr gewährleistet.
  • Als Folge der Aufnahme von Nanopartikeln kann es vor allem bei Menschen, die an Arteriosklerose und Herzerkrankungen leiden, zu einer Verschlimmerung der bestehenden Erkrankung und zu Ablagerungen in unterschiedlichen Organen, wie Milz, Leber, Knochenmark etc. kommen[42].
  • Der Verzehr von Lebensmitteln, die mit Nanopartikeln versetzt sind, ermöglicht die Aufnahme der potenziell schädlichen Substanzen über die Schleimhäute des Magen-/Darmtraktes in die Blutbahn. Im Darm werden Nanopartikel von den Peyerschen-Plaques aufgenommen. Auch bei der Aufnahme von Nanopartikeln über den Magen-Darm-Trakt gilt, je kleiner die Partikel sind, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer Ablagerung der aufgenommenen Partikel in bestimmten Geweben und Organen und zur Schädigung derselben kommt[42].
  • Eine weitere Möglichkeit der Aufnahme von Nanopartikeln in den Organismus erfolgt möglicherweise über die Haut, z. B. durch das direkte Auftragen von nanopartikelhaltigen Kosmetika.[42] Einige Studien widerlegen eine Aufnahme von Nanopartikeln bis zu lebenden Zellschichten des Epithelgewebes; andere Untersuchungen geben Hinweise auf gegenteilige Befunde. So können in Kosmetikprodukten enthaltene Nanopartikel über die Hornhaut direkt, oder über Haarwurzeln in die Haut aufgenommen werden und dort zur Schädigung der Zellen durch Radikalbildung führen und möglicherweise Hautirritationen und -allergien auslösen. Im Organismus besteht die Gefahr, dass die Partikel die mitochondriale Atmung und somit den Zellstoffwechsel stören. Die genaue Wirkung ist jedoch noch unzureichend erforscht, deshalb scheint es sehr bedrohlich, dass zahlreiche Hautpflegeprodukte bereits Nanopartikel enthalten[39][40].
  • „Medizinisch eingesetzte Nanopartikel können die DNA schädigen, ohne dafür in die Zellen eindringen zu müssen. Das zeigt eine jetzt in „Nature Nanotechnology“ veröffentlichte Studie an in Kultur gehaltenen Zellen.“[43]
  • In einer Studie wurde festgestellt, dass in die Blutbahn gelangte Nanopartikel dort aufgrund ihrer molekularen Anziehungskraft innerhalb von Sekunden von einer Eiweiß-Korona, einem Kranz aus bis zu 300 körpereigenen Proteinen, umhüllt wurden; diese Korona veränderte sich nach ihrer Entstehung praktisch nicht mehr. Die Wirkung im Körper blieb unklar.[44]

Risiken für die Umwelt

Es ist nicht klar, ob diese ökologischen Risiken und Gefahren auch für in Trägersubstanzen (Lacke, Fassadenfarben, Textilien) oder technische Geräte (Informationstechnologie) eingebrachte Nanopartikel gilt. Der derzeitige Stand der Wissenschaft lässt keine verlässlichen Aussagen über die Gefahr und die Gesundheitsschädlichkeit bezüglich nanoskaliger Inhaltsstoffe und Komponenten zu. Es ist nach wie vor zu klären, ob auf Grund bestimmter Witterungsverhältnisse oder durch mechanische Belastung Nanopartikel aus Fassadenfarben, Autoreifen oder -lacken in Form nanoskaligen Abriebs austreten können.

Kommt es zu Auswaschung nanoskaliger Partikel aus festen Trägersubstanzen, so ist eine Belastung für Umwelt und Organismen möglich. Die Anwendung nanoskaliger Verbindungen ist mit hoher Wahrscheinlichkeit gleichbedeutend mit ihrem Eintrag in die Umwelt bzw. deren Eintritt in Nahrungsketten. Selbst wenn durch die Nanomaterialien als solche keine direkten Schäden verursacht werden sollten, könnten Nanopartikel aufgrund ihrer hohen Reaktivität andere Schadstoffe binden und ihnen den Transport in der Luft oder im Wasser erleichtern.[36]

Das Gefährdungspotential besteht vor allem durch die Bindung an und von toxischen Substanzen, die Mobilisierung von Schwermetallen, Bindung von Nährstoffen im Grundwasser, Anreicherung über die Nahrungskette, weltweite Verbreitung über die Luft und Veränderung der Mikrofauna durch biozide Wirkung in Boden und Wasser.[34]

Luft

Auf das Verhalten von Nanopartikeln in der Luft wird im Abschnitt „Risiken bei der Herstellung“ näher eingegangen.

Wasser

Auch im Wasser können Partikel aufgrund der Bindung anderer Substanzen grundlegend ihre Eigenschaften ändern, sodass beispielsweise ihre Aufnahme durch Organismen erleichtert würde: Entweder die Partikel selbst oder an sie gebundene Schadstoffe könnten in den Organismen negative Effekte auslösen.[36] Die biologische Aktivität der Nanopartikel hängt ab von ihrer Größe, Form, Chemie, Oberfläche und Löslichkeit.

In Wasser enthaltene Mikroplastik-Nanoteilchen passieren vermutlich die meisten Filterstufen von Wasser- und Klärwerken.[45]

Pflanzen

Hinweise zu negativen bzw. hemmenden Effekten von Nanopartikeln auf das Wurzelwachstum von Pflanzen ergeben sich aus einer Studie von Ling Yang und Daniel J. Watts vom New Jersey Institute of Technology.[46] Hier besteht weiterer Klärungsbedarf.

Tiere

Untersuchungen mit Fischen geben Hinweise darauf, dass Nanopartikel auch biologische Barrieren wie die Blut-Hirn-Schranke durchdringen können. Die so genannten C60-Moleküle (auch „Buckminster-Fullerene“) werden schon bei relativ niedrigen Konzentrationen über die Kiemen aufgenommen. Die Verteilung der Nanopartikel im Körper scheint abhängig von Größe, Form und Stoffeigenschaften zu sein.[40] Versuche schwedischer Forscher lassen darauf schließen, dass kommerziell hergestellte Polystyrol-Nanopartikel, die über die Nahrungskette aufgenommen werden, das Fressverhalten und den Fettstoffwechsel bei Fischen beeinflussen können.[47][48]

In einem generationenübergreifenden Versuch mit Wasserflöhen stellte sich heraus, dass Nachkommen von mit Titandioxid behandelten Tieren, welche selbst nie Kontakt mit Titandioxid hatten, dem Stoff gegenüber empfindlicher waren: sie häuteten sich nicht wie üblich oder starben; es müsste „also eine Übertragung einer Schädigung von den Eltern auf die nachfolgenden Generationen stattgefunden haben“.[49]

Risiken bei der Herstellung

Bei der Herstellung von Nanopartikeln besteht die Gefahr der Exposition von Menschen an ihrem Arbeitsplatz, denn die Kenntnisse über das tatsächliche Verhalten nanoskaliger Substanzen sind so gering, dass das Aufstellen sinnvoller MAK- oder TRK-Werte nicht zu einem zufrieden stellenden Maße möglich ist. Dieses Unwissen über allgemeine chemische und physikalische Eigenschaften von Partikeln dieser Größenordnung und auch die mangelnde ethische Auseinandersetzung mit diesem Gebiet wird womöglich zur „versehentlichen“ Produktion hochgefährlicher Substanzen führen, die exponierten Organismen großen Schaden zufügen.

Durch Fehler in der Apparatur können Nanopartikel bei ihrer Synthese in die Umgebung abgegeben werden. Dabei ist ein solcher Unfall wesentlich schwerer zu ermitteln als bei größeren Partikeln, weil die Konzentrationen, in denen Nanopartikel vorliegen meist sehr niedrig sind. Nanopartikel bewegen sich sehr schnell und können in der Luft große Strecken zurücklegen. Sie verteilen sich somit in kürzester Zeit im Raum, sodass nicht nur Bereiche in der direkten Umgebung kontaminiert werden, sondern auch weiter entfernte Bereiche und Personen. Zur Kontrolle sind hier hochempfindliche Gasdetektionssysteme notwendig.[36]

Momentan sind weder geeignete Masken noch Hochleistungsfilter verfügbar, die direkt ausgesetzten Personen einen ausreichenden Schutz bieten[39]. Zwar unterliegen Nanopartikel durch Kollision und Zusammenlagerung einem schnellen Wachstumsprozess, jedoch handelt es sich aber bei den aggregierten Partikeln meist immer noch um Nanopartikel.[36]

Der Herstellung wird in naher Zukunft der Ferntransport von Nanopartikeln folgen. Unfälle, wie ein leckschlagender oder sinkender Öltanker wären, auf Nanopartikel übertragen, derzeit möglicherweise Katastrophen mit unabsehbaren Ausmaßen.

Die Produktion großer Mengen von Substanzen wie den Nanopartikeln muss eine gezielte Entsorgungswirtschaft und -politik mit besonderer Aufmerksamkeit bezüglich der Chemie und Reaktivität des zu entsorgenden Materials nach sich ziehen. Außerdem müssen Sicherheitsstandards sowohl bei der Herstellung als auch für den Transport nach dem Gefahrenpotential der betreffenden Substanzen ausgerichtet werden. Dies ist in Hinblick für Nanopartikel nicht möglich, da die Produktpalette bereits jetzt wesentlich größer ist als die Palette der untersuchten Nanopartikel.

Literatur

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  • Unter dem Titel Nanotoxicology erscheint seit 2007 eine wissenschaftliche Fachzeitschrift, die sich mit den Gefahren und Risiken beschäftigt, die mit der Verwendung von Nanoteilchen verbunden sind (ISSN 1743-5390).

Weblinks

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Einzelnachweise

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