Grundwissen zu Nanomaterialien

Nanomaterialien sind natürliche vorkommende, zufällig entstandene oder gezielt hergestellte winzige Feststoffpartikel. Aufgrund ihrer besonderen und vielfältigen Eigenschaften kommen sie in zahlreichen Produkten und Technologien zur Anwendung.

Die Eigenschaften von Nanomaterialien unterscheiden sich in mehrfacher Hinsicht von denjenigen der chemisch identischen Ausgangsmaterialien in loser Form (Bulkmaterialien). Verhalten und Eigenschaften von Nanomaterialien werden nämlich nicht nur durch ihre Zusammensetzung bestimmt, sondern auch durch ihre Grösse, ihre Form (zylindrisch, sphärisch, plättchenartig usw.), ihren Zustand (ungebundene Partikel, Aggregat oder Agglomerat) sowie durch ihre besonders grosse spezifische Oberfläche (Verhältnis von Oberfläche zu Volumen).

Im Folgenden werden die wichtigsten Merkmale von Nanomaterialien – namentlich ihre optischen, mechanischen, elektrischen, magnetischen, katalytischen und hydrophoben Eigenschaften – und die damit verbundenen Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt.

Aggregat

Teilchen, das mehrere stark aneinander gebundene oder miteinander verbundene Primärpartikel umfasst und dessen äussere Oberfläche signifikant kleiner ist als die Summe der Oberflächen seiner einzelnen Bestandteile.

Agglomerat

Ansammlung von schwach oder mässig stark miteinander verbundenen Partikeln, deren äussere Oberfläche vergleichbar ist mit der Summe der Oberflächen der einzelnen Bestandteile.

Nanomaterialien besitzen spezifische optische Eigenschaften und können unter Einwirkung von Licht oder von Laser- und anderen elektromagnetischen Strahlen (UV usw.) anders interagieren als Bulkmaterialien. Die optischen Eigenschaften eines Materials werden durch Prozesse wie die Absorption, Transmission, Reflexion und Emission von Licht bestimmt. Je nach Form, Grösse und Funktionalisierung der Oberfläche von Nanopartikeln, aber auch abhängig vom umgebenden Milieu (Verbundmaterial, Zellmilieu usw.), können sich diese Eigenschaften verändern.
Ein treffendes Beispiel dafür ist kolloidales Gold, also winzige Goldpartikel in einer Lösung: Abhängig von ihrer Grösse erscheinen die Gold-Nanopartikel in einer unterschiedlichen Farbe, nämlich gelb (2–5 nm), rot (10–20 nm) oder violett (>20 nm). Hervorgerufen wird diese unterschiedliche Färbung durch einen Resonanzeffekt bei der Interaktion der elektronischen äusseren Struktur der Nanopartikel mit Lichtwellen von bestimmter Länge (Oberflächenplasmonenresonanz, SPR). Dieser Effekt wird in der Kolorimetrie genutzt, einem Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Substanzen in einer meist flüssigen Phase. Aber auch in anderen und vor allem medizinischen Anwendungsbereichen werden die optischen Eigenschaften von Nanomaterialien genutzt, beispielsweise in der Fluoreszenzbildgebung oder in der photodynamischen Therapie. Letztere kommt unter anderem bei der Behandlung gewisser Krebsarten zum Einsatz.
Die Medizin ist allerdings nicht das einzige Anwendungsgebiet, in dem Nanomaterialien aufgrund ihrer optischen Eigenschaften geschätzt werden. Auch bei der Umwandlung von Solarenergie in chemische oder elektrische Energie werden Nanomaterialien eingesetzt. Abgesehen von ihren Eigenschaften als Leiter und Halbleiter erlauben Nanomaterialien eine Einsparung von Rohstoffen (höhere Wirksamkeit bezogen auf die Oberfläche) und die Fertigung grösserer produktiver Oberflächen (Solarpanels). Zudem können sie auch auf flexiblen Trägermaterialien eingesetzt werden.
Wegen ihrer optischen Eigenschaften werden Nanomaterialien auch in der Lasertechnik, in der Beleuchtung (LED-Lampen), in optischen Sensoren sowie als Beschichtungen genutzt, beispielsweise zur Filterung von Strahlung (Licht bzw. Farben oder Wärme).
Gewisse Nanopartikel können einem Material oder Produkt sehr interessante Eigenschaften verleihen, etwa in Bezug auf seine Festigkeit, Härte, Elastizität und Verformbarkeit (Duktilität). Als mechanische Eigenschaften werden die Merkmale bezeichnet, die ein Material in unterschiedlichen Umgebungen und unter verschieden äusseren Einwirkungen aufweist. Mithilfe organischer oder anorganischer Nanomaterialien lassen sich eine oder mehrere mechanische Eigenschaften eines Materials optimieren.
Zu den organischen, also kohlenstoffbasierten Nanomaterialien gehören ein- oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (carbon nanotubes, CNTs), Nanofäden, Graphen und andere mehr. Sie zeichnen sich durch eine hohe mechanische Festigkeit aus. Eine einzelne Kohlenstoffnanoröhre besitzt einen ausserordentlich hohen Youngschen Modul (d. h. eine sehr hohe Steifigkeit), der sich demjenigen eines Diamanten annähern kann. Ein aus zahlreichen CNTs bestehender Faden hingegen weist aufgrund der Van-der-Waals-Wechselwirkungen eine grosse Biegsamkeit auf. CNTs sind nicht nur ausserordentlich widerstandsfähig, sondern auch flexibel.
Beispiele für anorganische Nanomaterialien sind Verbindungen von Übergangsmetall-Oxiden, aber auch Silber-, Gold- oder Ferrit-Nanopartikel sowie siliziumbasierte Nanostrukturen. Werden gewisse zinkbasierte Nanomaterialien oder Zink-Nanoröhren in verschiedene Substrate wie Borosilikatglas, Quarz oder Ähnliches integriert, so erhöht sich deren mechanische Festigkeit in erheblichem Masse. In siliziumbasierten Nanokompositen lassen sich verschiedene mechanische Eigenschaften beeinflussen, etwa die Elastizität, die Zugfestigkeit, die Steifigkeit oder die Biegsamkeit.
Das Einbringen von Nanopartikeln auf der Basis von Siliziumoxid (SiO2) wiederum erhöht die Widerstandsfähigkeit von Beton gegenüber Druck, Biegung und Zug, verändert aber gleichzeitig andere Eigenschaften dieses Baustoffs, wie etwa die Aushärtezeit, das Schwinden und die Langlebigkeit. Verändert werden diese Eigenschaften insbesondere dadurch, dass die Nanopartikel die Hydratation des Betons (d. h. die Bildung wasserhaltiger Verbindungen beim Erstarren und Erhärten) beeinflussen und zur Bildung kompakterer Mikrostrukturen beitragen.
Nanopartikel kommen aber auch in gewissen biologischen Verbundmaterialien sowie in Polymeren zum Einsatz. Solche Materialien werden als Nano-Verbundwerkstoffe bezeichnet. Nanomaterialien verleihen solchen Werkstoffen eine im Vergleich zu Kunststofffasern und -filmen höhere Festigkeit, können aber auch weitere nicht-mechanische Eigenschaften optimieren, etwa die UV-, Flamm- oder Korrosionsbeständigkeit.
Magnetische Nanomaterialien enthalten in der Regel ein magnetisierbares Element wie Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom, Mangan oder Gadolinium. Eine Besonderheit der Nanopartikel ist der superparamagnetische Effekt, welcher durch ihre Kleinheit hervorgerufen wird: Im Bereich der Nanopartikel bezeichnet der Superparamagnetismus das Phänomen, dass die Partikel beim Anlegen eines äusseren magnetischen Feldes aufmagnetisiert werden, jedoch im Gegensatz zum Ferromagnetismus beim Abschalten des Feldes ihre magnetischen Eigenschaften sofort wieder verlieren. Diese Eigenschaft wird in verschiedenen medizinischen Bereichen genutzt, etwa in Therapien, bei denen Krebszellen durch Hyperthermie zerstört werden, in Trägerstoffen für Medikamente, die gezielt zu erkranktem Gewebe transportiert werden sollen, sowie in gewissen bildgebenden Verfahren (Kernspinresonanz).
Die Anwendungen, bei denen Nanopartikel aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften zum Einsatz kommen, sind sehr vielfältig und reichen von der Herstellung von Datenspeichermedien über die Aufbereitung von Proben in der analytischen Chemie (z. B. Isolierung und Präkonzentration von Analyten) und die Fluoreszenztechnik (u. a. bei der Zellbildgebung) bis hin zur Altlastensanierung (etwa als Sorptionsmittel für Schwermetalle).
Magnetische Nanopartikel kommen auch in der Natur vor, beispielsweise in Felsen, und spielen unter anderem bei der Messung des Erdmagnetfeldes eine Rolle. Bestimmte Bakterien wiederum besitzen einen Nanomagneten, mit dessen Hilfe sie sich am Erdmagnetfeld ausrichten. Ein ähnliches Phänomen ist auch aus der Tierwelt bekannt: Gewisse Vogelarten orientieren sich dank Nanopartikeln im Schnabelgewebe am Magnetfeld der Erde.
Massgebend für die elektrischen Eigenschaften eines Materials sind dessen Leitfähigkeit (definiert durch die Menge an elektrischer Ladung, die pro Zeiteinheit übertragen wird) und sein elektrischer Widerstand (Kehrwert der Leitfähigkeit). Abhängig von ihrem jeweiligen elektrischen Widerstand werden Materialien den Metallen, Halbleitern oder Isolatoren zugeordnet.
Ein gutes Beispiel dafür sind Kohlenstoffnanoröhren (CNTs): Ihre Leitfähigkeit hängt davon ab, wie die sechseckigen Waben angeordnet sind: Bilden die Wabenwände entlang der Röhre «lehnstuhlförmige» Strukturen (engl. «armchair»), können sie Strom noch besser leiten als Kupfer. Ist die Struktur hingegen zickzackförmig oder so gestaltet, dass sie sich mit ihrem Spiegelbild nicht deckt (chiral), verhalten sie sich wie Halbleiter. Solche Halbleiter werden beispielsweise als Transistoren in elektronischen Geräten wie Computern oder Gasdetektoren eingesetzt. CNTs verdanken ihre Leitfähigkeit der Tatsache, dass die doppelten Kohlenstoffbindungen (Pi-Bindungen) die Delokalisation von Elektronen ermöglichen. Durch die Bindung anderer Moleküle an diese Nanoröhren lässt sich die Leitfähigkeit verändern.
Nanomaterialien auf der Basis von Metallen wie Gold, Silber, gewissen Kobaltoxiden sowie bestimmten Legierungen und Verbundstoffen sind nicht nur wegen ihrer elektrischen, sondern auch aufgrund ihrer thermischen Leitfähigkeit von grossem Interesse. Die Erforschung der Möglichkeiten, die solche Materialien für die Umwandlung von thermischer Energie in Elektrizität und umgekehrt eröffnen, ist für Anwendungen wie die Strom- oder Kälteproduktion von Bedeutung. Verschiedene Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet befassen sich mit Nanomaterialien auf der Basis von Silizium, Bismuttellurid, binärem Skutterudit und Silber sowie mit Verbundstoffen, welche solche Nanomaterialien enthalten. Gewisse sogenannte thermoelektrische Materialien würden es beispielsweise erlauben, die Stromproduktion und die Energierückgewinnung bei der Kehrichtverbrennung zu optimieren.
Auch im Hinblick auf die Steigerung der Speicherkapazität von Batterien bergen Nanomaterialien ein grosses Potenzial. Dank dem Einsatz gewisser Nanomaterialien liesse sich nämlich bei Lithiumbatterien die Leistungsdichte (Leistung in Abhängigkeit von Masse) verbessern, die Brandgefahr reduzieren und die Lade- bzw. Entladegeschwindigkeit erhöhen. Auf diese Weise könnte beispielsweise die Effizienz von Elektro- oder Hybridfahrzeugen gesteigert werden.
Dank verschiedenen Merkmalen können Nanomaterialien die Geschwindigkeit, den Ertrag oder die Stereoselektivität chemischer Reaktionen verbessern. Das Potenzial der sogenannten Nanokatalyse ist Gegenstand der industriellen Forschung und Entwicklung. Die wichtigsten katalytischen Eigenschaften von Nanomaterialien lassen sich auf deren Oberflächen- und Quanteneffekte zurückführen. Grund für die Oberflächeneffekte ist die im Vergleich zum Ausgangsmaterial deutlich grössere spezifische Oberfläche eines Nanomaterials. Dadurch kann ein Nanokatalysator viel stärker mit den umgebenden Molekülen interagieren als ein herkömmlicher Katalysator. Ein weiterer Grund für die erhöhte Reaktivität von Nanokatalysatoren sind die Quanteneffekte, die durch die Grösse der Partikel hervorgerufen werden: Die Elektronen sind in Partikeln von viel kleinerer Dimension gefangen, als dies bei grösserskaligen Ausgangsmaterialien der Fall ist. Mit abnehmender Partikelgrösse erhöht sich die spezifische Oberfläche, und es entsteht ein Quanteneffekt, der tiefgreifende Veränderungen der Materialeigenschaften nach sich zieht.
Nanokatalysatoren kommen in zahlreichen Gebieten der petrochemischen und pharmazeutischen Industrie zur Anwendung und können problemlos abgeschieden und rezykliert werden. Ein Paradebeispiel dafür ist Gold: In seiner makroskopischen Form ist dieses Edelmetall praktisch inert. Nanometerkleine Goldpartikel hingegen sind äusserst wirksame Katalysatoren und werden dank dieser Eigenschaft bei der Bekämpfung von Luftverunreinigungen sowie bei der Kontrolle der Luftqualität (Abluftreinigungsanlagen, Überwachungssonden), in Wasserstoff-Brennstoffzellen sowie bei der Synthese von Nahrungsmittelzusätzen wie Gluconsäure eingesetzt.
Gewisse Nanopartikel schliesslich besitzen photokatalytische Eigenschaften, die bei der Sanierung von mit Schadstoffen oder gefährlichen Abfällen belasteten Standorten von Nutzen sind. Ermöglicht werden diese Prozesse durch den Einsatz von Halbleitern aus Metalloxiden wie etwa Titandioxid (TiO2). Solche Nanomaterialien begünstigen die Mineralisierung (Oxidation) gewisser Schadstoffe wie aliphatische oder aromatische chlorierte Kohlenwasserstoffe zu weniger toxischen oder für die Umwelt unschädlichen Verbindungen.
Ausschlaggebend dafür, ob ein natürliches oder künstlich hergestelltes Material als hydrophob (wasserabweisend) oder hydrophil (wasserliebend) gilt, ist der Kontaktwinkel eines Wassertropfens auf der Oberfläche des jeweiligen Materials. Dieser Winkel ist entscheidend dafür, ob das Material beim Kontakt mit Wasser nass wird oder nicht. Beträgt der Kontaktwinkel im Falle eines Wassertropfens mehr als 90 Grad, wird das Material nicht nass und gilt somit als hydrophob. Beträgt der Kontaktwinkel dagegen weniger als 90 Grad, breitet sich das Wasser auf der Oberfläche des Materials aus. Dieses gilt somit als hydrophil.
Gewisse natürliche oder künstlich hergestellte Nanomaterialien haben sogenannte superhydrophobe Eigenschaften. Bei diesen Materialien beträgt der Kontaktwinkel mehr als 150 Grad, was dazu führt, dass Wasser auf einer Oberfläche aus solchen Materialien sehr leicht abperlt – wie von einem Lotusblatt. Superhydrophobe Materialien werden aufgrund ihrer schmutzabweisenden und selbstreinigenden Eigenschaften untersucht und eingesetzt, etwa in Gebäudehüllen, als Korrosionsschutz bei Gasleitungen oder in der Mikrofluidtechnik (z. B. in medizinischen Anwendungen).