Neuartige Materialien – Advanced materials
Unter den Begriff «Advanced Materials» (Neuartige Materialien) fallen eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien. Alle haben im Vergleich zu konventionellen Materialien herausragende, neuartige Eigenschaften und werden daher in diversen Bereichen eingesetzt.
Was sind neuartige Materialien?
Neuartige Materialien sind komplexer als konventionelle Materialien. Sie bestehen oft aus mehreren Einzelmaterialien und kommen in verschiedenen Grössendimensionen vor. Durch kontinuierliche Innovation entwickelt sich diese Materialklasse sehr schnell weiter. Nanomaterialien, die aufgrund ihrer «Kleinheit» ebenfalls neuartige, herausragende Eigenschaften aufweisen, stellen eine Untergruppe der neuartigen Materialien dar (siehe Abbildung unten).
Es ist nicht ganz einfach, eine so heterogene Gruppe von Materialien strikt zu definieren. Verschiedene internationale Organisationen haben den Begriff «Advanced Materials» dennoch erklärt. Beispielsweise beschreibt die Europäische Kommission 2013 die neuartigen (bzw. «fortschrittlichen») Materialien wie folgt: «Bei der Herstellung eines fortschrittlichen Materials wird seine Zusammensetzung und innere Struktur präzise kontrolliert. Dadurch erhält es eine Reihe aussergewöhnlicher Eigenschaften (z.B. mechanische, elektrische, optische, magnetische Eigenschaften usw.) oder Funktionen (es kann selbstreparierend, formverändernd, desinfizierend, energieumwandelnd und vieles mehr sein), die es vom Rest des Materialuniversums unterscheiden.»
Die OECD Working Party on Manufactured Nanomaterials (WPMN; also die Arbeitsgruppe, die sich mit hergestellten Nanomaterialien beschäftigt) hat 2023 ebenfalls eine Beschreibung neuartiger Materialen verfasst: «Materialien, die bewusst so konzipiert sind, dass sie neue oder verbesserte Eigenschaften und/oder zielgerichtete oder verbesserte strukturelle Merkmale aufweisen, mit dem Ziel, eine bestimmte oder verbesserte funktionale Leistung zu erreichen.» Unter anderem diente hierfür der Bericht des Deutschen Umweltbundesamtes (UBA) von 2020 als Basis. In diesem Bericht wird eine mögliche Einteilung dieser neuartigen Materialien in verschiedene Klassen diskutiert. Die daraus entwickelten Faktenblätter geben einen kurzen Überblick über die charakteristischen Eigenschaften der identifizierten neuartigen Materialien, ihre Anwendungsbereiche und ihre potenziellen Risiken sowie zu ihrem regulatorischen Status. Auch die internationale Organisation für Standardisierung (ISO) arbeitet an einer Definition bzw. Beschreibung für neuartige Materialien.
In Europa setzt man hohe Erwartungen in den Einsatz neuartiger Materialien. So sollen beispielsweise globale Herausforderungen, wie der Klimawandel, durch technische Lösungen, basierend auf neuartigen Materialien angegangen werden (zum Beispiel im Bereich der Energiewende wie unten beschrieben). Auch bei der digitalen Transformation und der Förderung der Kreislaufwirtschaft spielen neuartige Materialien eine wichtige Rolle. Man ist sich aber auch bewusst, dass nur dann, wenn auch potenzielle Risiken für den Mensch und die Umwelt erkannt und vermieden werden, diese Technologie ihr volles Potential ausschöpfen kann.
Anwendungsbeispiele
Neuartige Materialien eröffnen völlig neue Möglichkeiten in diversen Bereichen – von der Medizin über den Energiesektor bis hin zum 3D-Druck. An dieser Stelle sollen nur wenige Beispiele kurz beschrieben werden. In der Medizin (Nano-Heilmittel) werden Nanomaterialien aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften bereits seit einiger Zeit eingesetzt. Sie können aufgrund ihrer gezielt entwickelten Eigenschaften auch hier als neuartige Materialien bezeichnet werden. Die meisten der derzeitig zugelassenen «Nano-Arzneimittel» basieren darauf, dass die Formulierung eines bereits zugelassenen Wirkstoffes durch den Zusatz des neuartigen Materials verbessert wird. Beispielsweise wurde in Europa bereits 1996 ein Krebsmedikament zugelassen, das in kleinen («nano»), oberflächenbehandelten Fettbläschen verpackt ist. So verbleibt der Wirkstoff länger im Blutkreislauf, die Nebenwirkungen werden reduziert und es kommt mehr Wirkstoff bei den Krebszellen an. Auch bestimmte Impfstoffe (z.B. die mRNA-basierten Covid-19-Impfstoffe) werden in Lipid-Partikel verpackt und so in die Zellen des Immunsystems gebracht, um für eine effiziente Abwehr des Erregers zu sorgen.
Ein weiteres und sehr breites Anwendungsgebiet für neuartige Materialien liegt im Bereich erneuerbarer Energien als unverzichtbarer Teil der Energiewende. Hier werden neuartige Materialien sowohl für die Energiegewinnung, die Energiespeicherung als auch zur Einsparung von Energie genutzt. Beispielsweise werden neuartige Materialien eingesetzt, um die Effizienz von Solarzellen zu erhöhen sowie um die Lebensdauer von Rotorblättern von Windkraftanlagen zu verlängern. Im Batteriesektor werden zum Beispiel kohlenstoffbasierte neuartige Materialien eingesetzt, um die Leistungsfähigkeit von Autobatterien zu verbessern.
Darüber hinaus können neuartige Materialien beim dreidimensionalen (3D) Druck eingesetzt werden. Beim 3D Druck (oder auch «additive manufacturing» genannt), werden dreidimensionale Objekte Schicht für Schicht gedruckt. Es gibt verschiedene Geräte, Verfahren und Materialien, die für diese Art der Produktion verwendet werden. Auch für den Hobbybereich und für Schulen sind relativ erschwingliche Kleingeräte erhältlich, die es Privatpersonen ermöglichen, Spielzeug, Schmuck und andere Kunststoffteile selbst herzustellen. Um den gedruckten Objekten spezifische Eigenschaften zu verleihen, können Kunststoffe verwendet werden, die neuartige Materialien enthalten. Beispielsweise verleihen Nano-Metall-Zusätze den Objekten zusätzliche Festigkeit und einen gewissen Glanz und machen das gedruckte Objekt schwerer, als wenn es aus regulärem Kunststoff gedruckt worden wäre. Kohlenstoffbasierte Zusätze (wie z.B. Kohlenstoffnanoröhrchen oder Graphen) sorgen für erhöhte Steifheit und Stärke. Diese Objekte sind trotz ihrer höheren Festigkeit sehr leicht und werden oft für langlebige Teile von Drohnen verwendet.
Um das Potential neuartiger Materialien längerfristig voll auszuschöpfen, ist es entscheidend, Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen. Dies gilt für den gesamten Lebenszyklus des entsprechenden neuartigen bzw. fortschrittlichen Materials, das heisst von der Entwicklung, über die Nutzungsphase (im Alltag, im Beruf, in der Schule, im industriellen Umfeld, etc.) bis hin zum Recycling oder zur Entsorgung. (Weiterführende Informationen zum Thema «Kreislaufwirtschaft» finden Sie auf den Seiten des BAFU).
Rechtliche Aspekte
Neuartige Materialien werden in der Chemikaliengesetzgebung der Schweiz (und der EU) nicht ausdrücklich erwähnt und es werden auch keine zusätzlichen Anforderungen für neuartige Materialien beschrieben. Sie fallen unter die gleichen Gesetze und Verordnungen wie Chemikalien und Gegenstände. Einige Gesetze, Verordnungen und Wegleitungen gehen gezielt auf Nanomaterialien (und somit auch neuartige Nanomaterialien) ein (siehe Nanotechnologie: Rechtliches in Kürze).
Derzeit beschäftigt sich die Forschung eingehend damit, ob bestehende Testverfahren auch für neuartige Materialen angewendet werden können (eventuell mit gewissen Anpassungen) oder ob komplett neue Testverfahren entwickelt werden müssen. Parallel zu diesen technischen Abklärungen wird in internationalen Gremien (wie z.B. der OECD, oder auf EU-Ebene im Rahmen der «advanced materials initiative») diskutiert, ob auch bestimmte Gesetze und Verordnungen angepasst werden müssten.
Weitere Informationen
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