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Nanoteilchen

Nanoteilchen oder auch Nanopartikel bezeichnen einen Verbund von wenigen bis einigen tausend Atomen oder Molekülen. Der Name entspringt ihrer Größe, die typischerweise bei einigen Nanometern (10^-9 Meter bzw. ein Milliardenstel Meter) liegt.

Kleine Nanoteilchen mit weniger als 1000 Atomen werden häufig auch als Cluster [ˈklʌstə(r)] bezeichnet.

Eigenschaften

Die Nanotechnologie bzw. die Nanostrukturwissenschaften beschäftigen sich mit der Untersuchung von Nanoteilchen unterschiedlicher Größe, um den Übergang von atomaren Eigenschaften zu typischen Festkörpereigenschaften zu erforschen. In den letzten Jahre gewinnen Nanoteilchen zunehmend an Bedeutung, da sie spezielle chemische und physikalische Eigenschaften zeigen die deutlich von denen des Festkörpers abweichen. Besonderheiten treten beispielsweise auf bei:

• der Leitfähigkeit der Partikel,

• der chemischen Reaktivität die z. B. in Katalysatoren genutzt wird; durch die im Vergleich zum Volumen extrem große Teilchenoberfläche erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der Interaktion von mobiler mit fester Phase.

• den optischen Eigenschaften metallischer Nanoteilchen die Licht mit spezifischer Wellenlänge absorbieren können. Die Ursache hierfür ist die Anregung einer kohärenten Oszillation der Leitungsbandelektronen in den Nanoteilchen die als Plasmonresonanz bezeichnet wird. Das macht diese Eigenschaft z. B. attraktiv für den Einsatz in der Biologie und medizinischen Diagnostik.

Spezielle Nanoteilchen

• Ein spezieller Typ von Nanoteilchen sind Fullerene und Kohlenstoffnanoröhren.
• Halbleiternanopartikel finden Verwendung als Fluorophore.
• Gold- und Silberkolloide.

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.

Herstellung

Es haben sich fünf Verfahren zu Herstellung von Nanoteilchen etabliert:

• Lithografie,
• chemische Herstellung in Lösungen (z. B. Sol-Gel-Methode),
• Herstellung im Plasma,
• Herstellung durch selbstorganisiertes Wachstum auf Oberflächen oder mit Templaten (z. B. Hydrothermalsynthese von nanoporösen Cetineiten),
• Herstellung durch gezielte Nukleation von Molekülen aus der Gasphase (Aerosolprozess).

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.

Einsatz von Nanoteilchen

So werden zum Beispiel Autokatalysatoren mit nanostrukturiertem Platin bzw. Palladium beschichtet. Nanoteilchen werden darüber hinaus in Cremes (z. B. als UV-Blocker in Sonnencreme), Pasten, Lacken, Klebern aller Art und in Nahrung (Nano-Food) eingesetzt.

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.

Bisher waren viele der hergestellten Nanopartikel elektrische Isolatoren. In jüngerer Zeit konnten eigenhalbleitende und photohalbleitende nanoporöse Kristalle hergestellt werden, die in der Mikroelektronik eingesetzt werden können.

Mögliche Gesundheitsgefahren

Es ist noch ungenügend erforscht, welche Gefahr von manchen Nanoteilchen ausgeht. Besonders intensiv ist die Forschung an Kohlenstoffnanoröhren und Buckminster-Fullerenen, die Ergebnisse sind jedoch nicht konsistent. Von Nanoröhren wird angenommen, dass sie aufgrund ihrer Asbest ähnlichen, nadelförmigen Struktur dieselben Auswirkungen in der Lunge haben könnten, was jedoch noch nicht eindeutig belegt werden konnte. Insgesamt ist die Wirkung der in den letzten Jahren künstlich hergestellten Nanoteilchen auf Organismen, vor allem die langfristigen Auswirkungen, noch nicht ausreichend erforscht, um den Grad ihrer Gefährlichkeit abschließend beurteilen zu können. Ein zusätzliches Problem bei der Bestimmung der Gesundheitsgefahren ist, dass Nanoteilchen unterschiedliche Eigenschaften in Abhängigkeit von ihrer Größe haben, was die Forschung vor das Problem stellt, welche Größe der Nanoteilchen auf ihre Gesundheitsgefährdung hin zu untersuchen ist.

Weblinks hierzu:

• http://www.nanosafe.org/
• http://www.dialog-nanopartikel.de/

Siehe auch

• Dispersion von Oberflächen

Literatur

Bücher

• H. Haberland: Clusters of Atoms and Molecules I, Springer, 52, 1994
• H. Haberland: Clusters of Atoms and Molecules II, Springer, 56, 1994
• C.F. Bohren, D.R. Huffman: Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley, 1983
• U. Kreibig, M. Vollmer: Optical Properties of Metal Clusters, Springer, 1995

Aufsätze

• Harald F. Krug: Auswirkungen nanotechnologischer Entwicklungen auf die Umwelt. Umweltwissenschaften und Schadstoff-Forschung 17(4), S. 223 - 230 (2005), ISSN 0934-3504
• Petra Schaper-Rikel: Governance von Zukunftsversprechen: Zur politischen Ökonomie der Nanotechnologie POKLA Heft 145, 36 (2006) 4, 473-496.