Wissen zu Nanomaterialien

Nanomaterialien sind winzige Partikel und Oberflächen, welche für viele Produkte und Technologien genutzt werden. Ihre physikalischen und biologischen Effekte sind noch nicht alle bekannt. Laufend kommt aber neues Wissen hinzu.

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Grobkörnige Materialien haben unabhängig von ihrer Masse konstante physikalisch-chemische Eigenschaften. Bei Nanomaterialien trifft dies nicht mehr zu. Bei ihnen dominieren Eigenschaften, die mit dem Volumen und der Oberfläche der Materie zusammenhängen.

Nanomaterialien können andere Eigenschaften aufweisen

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© Fotolia / Elena Pankova

Verglichen mit grobkörnigen Materialien können Nanomaterialien veränderte Eigenschaften aufweisen. Die spezifische Oberfläche ist bei Nanomaterialien viel grösser als bei grobkörnigeren Materialien. Da die chemische Reaktionsfreudigkeit von der Oberfläche abhängt, können Nanomaterialien eine höhere Reaktivität als grobkörnigere Materialien aufweisen. Die Fähigkeit, chemische Reaktionen zu beschleunigen, wird für technische Prozesse genutzt (z.B. Abgaskatalysatoren, Batterien und Akkus, Baustoffe, Filtermaterialien). Nanostrukturierte Katalysatoren helfen, Energieverbrauch und Produktionsabfälle in industriellen Prozessen zu verringern.

Bei Teilchen im Nanometerbereich können auch sogenannte Quanteneffekte auftreten – in kleinen Nanopartikeln nehmen die Elektronen nur noch bestimmte Energiezustände ein, Partikel von identischer Grösse zeigen dann jeweils ein ähnliches Verhalten wie einzelne Atome oder Moleküle. Solche Eigenschaften spielen vor allem für Anwendungen in der Elektronik, Optik und Chemie eine grosse Rolle.

Oft werden in der Nanotechnologie keine freien Nanomaterialien eingesetzt. Mit nanometerdünnen Strukturen oder Beschichtungen können die Eigenschaften von Oberflächen gezielt verändert werden – sei es in der Elektronik, Optik, Chemie oder Medizin. Verbundwerkstoffe werden nanostrukturiert, um ihre Stabilität und Funktionalität zu erhöhen, und zugleich ihr Gewicht zu senken. Dies spart Ressourcen bei der Herstellung und erhöht die Energieeffizienz in der Anwendung.

Nanomaterialien sichtbar machen

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Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge im Bereich von ein paar Hundert Nanometern (nm). Ober- und unterhalb des Wellenlängenbereichs des sichtbaren Lichts gibt es weitere elektromagnetische Strahlungen:

  • Wellenlängen von 10 bis 380 nm: ultraviolettes (UV) Licht
  • Wellenlängen von 380 bis 780 nm: sichtbares Licht
  • Wellenlängen über 780 nm: Infrarotstrahlung

Nanomaterialien sind kleiner als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts. Darum sind sie im herkömmlichen Lichtmikroskop unsichtbar. Nanopartikel können jedoch sichtbar gemacht werden, indem man bestimmte Streueffekte (Rayleigh-Streuung) des Laserlichts ausnützt.

Eine andere Möglichkeit bieten Elektronenmikroskope, deren Elektronen-Strahlung eine sehr viel kürzere Wellenlänge hat als sichtbares Licht. Elektronenmikroskope können daher auch kleinste Nanomaterialien sichtbar machen.

Interferenzeffekte

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Sogenannte Interferenzeffekte entstehen, wenn nanometerdicke Schichten von Materialien, die das Licht unterschiedlich stark brechen, präzise übereinander aufgebracht werden. Das einfallende Licht kann unterdrückt werden, wenn es sich mit dem reflektierten Licht überlagert. Je nach Schichtdicke werden unterschiedliche Wellenlängen des Lichts beeinflusst und es entstehen Farbeffekte.

Auf diese Weise lassen sich bestimmte Farbfilter, Spiegel und Prismen herstellen. So reflektieren die nanobeschichteten Glasreflektoren von Halogenlampen nur den sichtbaren Bereich des Lichts, während die Wärmestrahlung durch den Reflektor hindurch abgestrahlt wird.

Speziell beschichtetes Fensterglas kann Wärme reflektieren und Innenräume dadurch vor übermässiger Sonnenwärme schützen, während es das sichtbare Licht hindurchlässt.

Hautschutz dank der richtigen Korngrösse

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Nanoskaliges Titandioxid wird als UV-Filter in Sonnencrèmes verwendet. Es absorbiert ultraviolettes Licht, während es aufgrund seiner geringen Partikelgrösse für sichtbare Strahlung durchlässig ist. Die Sonnencrème wirkt daher für das menschliche Auge transparent. In dieser Funktion ersetzt das Nanomaterial synthetische UV-Filtersubstanzen, welche oftmals auch problematische chemische Eigenschaften für Mensch und Umwelt aufweisen. Grobkörniges Titandioxid wird als Weisspigment in Wandfarben verwendet. Im Gegensatz zur nanoskaligen Form streut es das sichtbare Licht.

Wasserabstossender Lotuseffekt

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Werden Oberflächen mit einer feinstrukturierten, dreidimensionalen Schicht überzogen (Wachskügelchen, Silikonkügelchen, u.a.), so können diese kaum mehr benetzt werden. Das Wasser perlt ab, nimmt Schmutzpartikel mit – man beobachtet einen «Lotuseffekt» und benötigt weniger und seltener Reinigungsmittel. Dieser Effekt wird für Antibeschlag-Schichten auf Scheiben und Spiegeln, sowie für wasser- und schmutzabweisende Textilien genutzt. Der Lotuseffekt ist nicht unbedingt nanospezifisch. Er kann schon bei viel gröberen Oberflächenstrukturen im Bereich von 20 Mikrometern auftreten.

Nutzung der Fotokatalyse

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Titandioxid ist ein Halbleitermaterial, das durch UV-Bestrahlung leitfähig wird (vor allem die Kristallform Anatas). Durch die UV-Strahlung werden im Kristallgitter Paare von Elektronen-Löchern erzeugt. In diesem Zustand ist das Titandioxid hoch reaktiv und führt dazu, dass es extrem wasseranziehend wird und eine oxidierende Wirkung ausübt.

Eine Titandioxid-Schicht kann damit für selbstreinigende Oberflächen, Beschichtungen und Farben verwendet werden: Schmutz-Partikel werden am Titandioxid, das durch Sonnenlicht aktiviert werden langsam abgebaut, was den Einsatz problematischer Reinigungschemikalien verringern kann. Wo die UV-Lichtabsorption erwünscht, fotokatalytische Effekte es jedoch zu verhindern gilt, wird Titandioxid in anderen Anwendungen (z.B. Sonnencrèmes) mit einer unreaktiven Schutzschicht überzogen.

Medikamente direkt an ihren Wirkungsort transportieren

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In der Medizin wird versucht, die Fähigkeit von Nanopartikeln auszunutzen, körpereigene Barrieren zu durchdringen. Damit sollen Wirkstoffe einerseits gezielter an ihren Wirkungsort gebracht, sowie körpereigene Abwehrmechanismen umgangen werden, die den Wirkstoff zerstören würden. Werden pharmazeutische Wirkstoffe in Nanomaterialien verpackt und deren Hülle mit Protein- oder Nukleinsäuremolekülen „adressiert“, so werden diese an die gewünschte Stelle im Körper transportiert und entfalten erst dort ihre Wirkung. Auch ferromagnetische Effekte von Nanopartikeln können in der Medizin genutzt werden, indem solche Partikel durch die Wirkung eines Magnetfelds von ausserhalb des Körpers erhitzt werden und damit Tumoren an Ort und Stelle zerstören können. Im Bereich Diagnostika eröffnen Quantum Dots neue, hochsensible Möglichkeiten der Sichtbarmachung von Strukturen und Vorgängen im Körper. Nanostrukturen und Verbundmaterialien verbessern die Verträglichkeit und Haltbarkeit von Implantaten.

Elektronik und Energietechnik

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Nanotechnologie ermöglicht den Bau kleinerer elektronischer Schaltungen. Dank dem Einsatz geeigneter Materialien und einer Lithografietechnik mit extrem kurzwelligem UV-Licht können heute funktionelle Elemente bis zu einer Feinheit von rund 10 nm Auflösung hergestellt werden. Computer werden somit schneller und energieeffizienter. Transparente, nanostrukturierte Elektrodenmaterialien sorgen für die Les- und Bedienbarkeit von Touchscreens, hochporöse Nanomaterialien ermöglichen kleinere, leichtere und leistungsfähigere Akkus und Batterien, was Ressourcen spart. Dank elektrisch leitfähigen Nanomaterialien wie Graphenschichten oder Kohlenstoffnanoröhrchen können hochflexible, extrem dünne Schaltungen mittels Tintenstrahldrucker hergestellt werden, zum Beispiel in der medizinischen Diagnostik oder zur Funktionalisierung von Materialien aller Art, zum Beispiel Textilien. Quantum Dots ermöglichen effizientere LEDs und senken den Energie- und Materialverbrauch unserer Beleuchtung und der bisherigen LEDs noch weiter. Nanomaterialien ermöglichen einen besseren Wirkungsgrad von Dünnschicht-Fotovoltaikzellen, was den Energie- und Materialverbrauch bei der Herstellung senkt. Mit Nanofasern verstärkte Verbundwerkstoffe ermöglichen den Bau leichterer und stabilerer Konstruktionen, sei es zur Steigerung der Effizienz von Windturbinen oder zur Gewichtsersparnis im Fahr- und Flugzeugbau, was den Treibstoffverbrauch vermindert.

Umwelttechnik

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Viele gefährliche Umweltschadstoffe sind sehr mobil und reichern sich in Lebewesen an. Dabei treten sie in der Umwelt meistens nur sehr stark verdünnt und weiträumig verteilt auf. Mit herkömmlichen Methoden lassen sie sich kaum aus der Umwelt entfernen. Werden geeignete Nanopartikel ins Grundwasser eingebracht, so können diese sich ähnlich gut wie die Schadstoffe in der Umwelt verteilen und die Schadstoffe aufgrund ihrer spezifischen Reaktivität zersetzen. Mit Eisenoxid-Nanopartikeln beispielsweise kann giftiges Arsen aus dem Trinkwasser entfernt und danach einfach abfiltriert werden.

Quellen: DaNa (Link siehe unten), Wikipedia.

Letzte Änderung 22.12.2016

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