Was sind Nanomaterialien?
Nanomaterialien können als Materialien definiert werden, bei denen mindestens eine äußere Abmessung im Bereich von 1-100 nm liegt. Die von der Europäischen Kommission gegebene Definition besagt, dass die Partikelgröße von mindestens der Hälfte der Partikel in der Größenverteilungskurve 100 nm oder weniger betragen muss.
Nanomaterialien können in der Natur vorkommen, als Nebenprodukte von Verbrennungsreaktionen entstehen oder gezielt durch Technik hergestellt werden, um eine spezielle Funktion zu erfüllen. Diese Materialien können andere physikalische und chemische Eigenschaften haben als ihre Pendants in größeren Partikeln.
Wofür werden Nanomaterialien verwendet?
Aufgrund der Fähigkeit, die Materialien auf eine bestimmte Art und Weise zu erzeugen, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen, erstreckt sich die Verwendung von Nanomaterialien über verschiedene Industriezweige, von der Gesundheitsfürsorge und Kosmetik bis hin zum Umweltschutz und zur Luftreinigung.
Im Gesundheitsbereich werden Nanomaterialien beispielsweise auf unterschiedliche Weise eingesetzt, wobei ein Hauptanwendungsgebiet die Verabreichung von Medikamenten ist. Ein Beispiel für diesen Prozess sind Nanopartikel, die entwickelt werden, um den Transport von Chemotherapeutika direkt zu den Krebsgeschwülsten zu unterstützen und Medikamente in Bereiche beschädigter Arterien zu bringen, um Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu bekämpfen. Kohlenstoff-Nanoröhren werden auch entwickelt, um bei der Verabreichung von Antikörpern in Nanoröhren Bakterien-Sensoren zu schaffen.
In der Luft- und Raumfahrt können Kohlenstoff-Nanoröhren für das Morphing von Flugzeugtragflächen verwendet werden. Die Nanoröhren werden in einer Verbundform verwendet, um sich als Reaktion auf das Anlegen einer elektrischen Spannung zu biegen.
An anderer Stelle werden bei Prozessen zur Erhaltung der Umwelt ebenfalls Nanomaterialien – in diesem Fall Nanodrähte – verwendet. Es werden Anwendungen entwickelt, um Zinkoxid-Nanodrähte in flexiblen Solarzellen zu verwenden und auch bei der Behandlung von verschmutztem Wasser eine Rolle zu spielen.
Beispiele für Nanomaterialien und die Industrien, in denen sie eingesetzt werden
Die Verwendung von Nanomaterialien ist in einer Reihe von Industriesektoren und bei der Herstellung von Konsumgütern weit verbreitet.
In der Kosmetikindustrie werden mineralische Nanopartikel – wie z.B. Titanoxid – aufgrund der geringen Stabilität, die herkömmlicher chemischer UV-Schutz langfristig bietet, in Sonnenschutzmitteln verwendet. Genau wie das Grundmaterial sind Titanoxid-Nanopartikel in der Lage, einen verbesserten UV-Schutz zu bieten und gleichzeitig haben sie den zusätzlichen Vorteil, die kosmetisch unansehnliche Weißfärbung zu vermeiden, die mit anderen Sonnenschutzmitteln verbunden ist.
Die Sportindustrie hat Baseballschläger hergestellt, die mit Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt wurden, wodurch die Schläger leichter wurden und somit ihre Leistung verbessert wurde. Eine weitere Verwendung von Nanomaterialien in dieser Industrie lässt sich in der Verwendung antimikrobieller Nanotechnologie in Gegenständen wie Handtüchern und Matten erkennen, die von Sportlern verwendet werden, um durch Bakterien verursachte Krankheiten zu verhindern.
Nanomaterialien sind auch für den Einsatz im Militär entwickelt worden. Ein Beispiel ist der Einsatz mobiler Pigment-Nanopartikel, die durch Injektion der Partikel in das Material von Soldatenuniformen eine bessere Form der Tarnung ermöglichen. Darüber hinaus hat das Militär Sensorsysteme mit Nanomaterialien, wie z.B. Titandioxid, entwickelt, mit denen biologische Kampfstoffe aufgespürt werden können.
Die Verwendung von Nanotitandioxid erstreckt sich auch auf den Einsatz in Beschichtungen zur Bildung selbstreinigender Oberflächen, wie z.B. die von Gartenstühlen aus Kunststoff. Auf der Beschichtung wird ein versiegelter Wasserfilm erzeugt, und jeglicher Schmutz löst sich in dem Film auf, woraufhin beim nächsten Abspülen der Schmutz entfernt und die Stühle gereinigt werden.
Vorteile von Nanomaterialien
Die Eigenschaften von Nanomaterialien, insbesondere ihre Größe, bieten verschiedene Vorteile gegenüber gröberen Partikeln derselben Materialien, und ihre Vielseitigkeit in Bezug auf die Möglichkeit, sie auf spezifische Anforderungen maßzuschneidern, unterstreicht ihren Nutzen. Ein weiterer Vorteil ist ihre hohe Porosität, was zu einer erhöhten Nachfrage für ihren Einsatz in vielen Branchen führt.
Im Energiesektor ist der Einsatz von Nanomaterialien insofern von Vorteil, als sie die bestehenden Methoden der Energieerzeugung – wie z.B. Solarpaneele – effizienter und kostengünstiger machen und neue Wege der Energiegewinnung und -speicherung eröffnen.
Nanomaterialien werden auch in der Elektronik- und Computerindustrie eine Reihe von Vorteilen bringen. Ihr Einsatz wird es ermöglichen, die Genauigkeit der Konstruktion von elektronischen Schaltungen auf atomarer Ebene zu erhöhen und damit die Entwicklung zahlreicher elektronischer Produkte zu unterstützen.
Das sehr große Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis von Nanomaterialien ist besonders nützlich bei ihrer Verwendung im medizinischen Bereich, was die Verbindung von Zellen und Wirkstoffen ermöglicht. Daraus ergibt sich der offensichtliche Vorteil einer Erhöhung der Wahrscheinlichkeit, verschiedene Krankheiten erfolgreich zu bekämpfen.
Nachteile von Nanomaterialien
Neben den Vorteilen gibt es auch eine Reihe von Nachteilen, die mit der Verwendung von Nanomaterialien einhergehen. Aufgrund der relativen Neuheit der weit verbreiteten Verwendung von Nanomaterialien gibt es nur wenig Informationen über die Gesundheits- und Sicherheitsaspekte der Exposition gegenüber Nanomaterialien.
Gegenwärtig wird als einer der Hauptnachteile im Zusammenhang mit Nanomaterialien die Inhalationsexposition angesehen. Diese Besorgnis ergibt sich aus Tierversuchen, deren Ergebnisse darauf hindeuten, dass Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren und Nanofasern schädliche Auswirkungen auf die Lunge haben können, wie z.B. Lungenfibrose. Weitere mögliche Gesundheitsrisiken sind Verschluckungsexposition und Staubexplosionsgefahr.
Darüber hinaus gibt es immer noch Wissenslücken in Bezug auf Nanomaterialien, was bedeutet, dass der Herstellungsprozess oft komplex und schwierig sein kann. Der Gesamtprozess ist zudem teuer und erfordert optimale Ergebnisse, insbesondere bei der Verwendung in Konsumgütern, um finanzielle Verluste zu vermeiden.
Risikobewertungen bezüglich möglicher Umweltauswirkungen deuten darauf hin, dass Nanomaterialien, die in kosmetischen Artikeln wie Sonnenschutzmitteln verwendet werden, die auf die Haut aufgetragen werden, das Risiko bergen, nach dem Abwaschen in aquatische Ökosysteme zu gelangen. Nanomaterialien, die technisch hergestellt wurden, können auch in Gewässer wie Seen und Flüsse gelangen, bevor sie sich zu größeren Partikeln anreichern. Dies kann Süßwasserarten – wie Schnecken – gefährden, indem sie möglicherweise einen Rückgang von Lebensprozessen wie Wachstum und Fortpflanzung herbeiführen. Die gleichen Probleme, die durch die Materialien in solchen Süßwasser-Ökosystemen verursacht werden, betreffen wahrscheinlich auch die Meeres-Ökosysteme. Die Anreicherung von Nanomaterialien in anderen Bereichen der Umwelt, wie z.B. im Boden – durch Klärschlamm – ist ein zusätzliches Problem. Obwohl die Konzentrationen dieser technisch hergestellten Nanomaterialien voraussichtlich recht gering sein werden, kann eine wiederholte Freisetzung dazu führen, dass die Konzentrationen mit der Zeit ansteigen, was die damit verbundenen negativen Auswirkungen noch verstärkt.