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Nanotechnologie

Bereich der angewandten Wissenschaft, dessen Thema die Kontrolle der Materie auf atomarer und (supra) molekularer Ebene ist
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Mit Nanotechnologie (griech. νάννος [nános] = Zwerg) wird heute populärwissenschaftlich die Forschung in der Clusterphysik und Oberflächenphysik, der Halbleiterphysik, in Gebieten der Chemie und bisher noch im sehr begrenzten Rahmen in Teilbereichen des Maschinenbaus und der Lebenmitteltechnologie (Nano-Food) bezeichnet. Dieser populärwissenschaftliche Sammelbegriff gründet auf der allen Nano-Forschungsgebieten gleichen Größenordnung vom Einzelatom bis zu einer Strukturgröße von 100 Nanometern (nm). Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter (10-9 m). Diese Größenordnung bezeichnet einen Grenzbereich, in dem die Oberflächeneigenschaften gegenüber den Volumeneigenschaften der Materialien eine immer größere Rolle spielen und zunehmend quantenphysikalische Effekte berücksichtigt werden müssen. In der Nanotechnologie stößt man also zu Längenskalen vor, auf denen die Eigenschaften eines Objektes besonders durch seine Größe bestimmt werden. Man spricht von „größeninduzierten Funktionalitäten“.

Neue Materialien wie Fullerene oder Carbon-Nanotubes sind Nanotechnologie und werden schon jetzt in vielen Gebieten eingesetzt.
Schon heute liegt die Größenordnung eines Transistors (siehe Bild) eines handelsüblichen Mikroprozessors im Bereich der Nanotechnologie. Derzeitige Transistoren sind 65 nm groß.

Schon heute eine wichtige Rolle spielen die Nanomaterialien, die zumeist auf chemischem Wege oder mittels mechanischer Methoden hergestellt werden. Einige davon sind kommerziell verfügbar und werden in handelsüblichen Produkten eingesetzt, andere sind wichtige Modellsysteme für die physikalisch-chemische und materialwissenschaftliche Forschung. Ebenfalls bedeutend ist die Nanoelektronik, deren 'Zugehörigkeit' zur Nanotechnologie in der wissenschaftlichen und forschungspolitischen Praxis aber nicht einheitlich gesehen wird.

Eine Entwicklungsrichtung der Nanotechnologie kann als Fortsetzung und Erweiterung der Mikrotechnik angesehen werden ('top-down-Ansatz'), doch erfordert eine weitere Verkleinerung von Mikrometerstrukturen meist völlig unkonventionelle neue Ansätze. Die Chemie geht in der Nanotechnologie oft den anderen Ansatz: 'bottom-up'. Chemiker, die üblicherweise in molekularen, d.h. sub-nano Dimensionen, arbeiten, bauen aus einer Vielzahl von einzelnen Moleküleinheiten größere nanoskalige Molekülverbunde auf. Ein Beispiel dazu sind Dendrimere.

Nur ein kleiner Zweig der Nanotechnologie beschäftigt sich mit Nanomaschinen oder Nanobots.

Die Bundesrepublik Deutschland ist auf dem Gebiet der Nanotechnologie weltweit an der Spitze der Forschung intensiv beteiligt.


Ursprünge der Nanotechnologie

Als Vater der Nanotechnologie gilt Richard Feynman auf Grund seines im Jahre 1959 gehaltenen Vortrages „There's Plenty of Room at the Bottom“ (Ganz unten ist eine Menge Platz), auch wenn der Begriff Nanotechnologie erst 1974 von Norio Taniguchi erstmals gebraucht wurde:

„Nano-technology mainly consists of the processing of separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or one molecule.“

Nanotechnologie im Sinne dieser Definition ist die Veränderung von Materialien, sei es Atom für Atom oder Molekül für Molekül. Das schließt ein, dass die kritischen Eigenschaften von Materialien oder Geräten im Nanometerbereich liegen können, und dass diese Materialien und Geräte aus einzelnen Atomen bzw. Molekülen konstruiert werden. Heute wird Nanotechnologie aber nur noch selten in diesem engen Sinn benutzt, heute schließt man (wie oben erläutert) auch die Herstellung von Nanomaterialien auf chemischem Wege in diesen Begriff mit ein.

Unabhängig von Taniguchi machte 1986 K. Eric Drexler den Begriff weithin bekannt. Er inspirierte mit seinem Buch Engines of Creation viele heutzutage bekannte Wissenschaftler und Mediziner, darunter auch Richard E. Smalley und [[[Dr. Andreas Jordan]http://www.nanotechnik-medizin.de/medizin.html]] (Fulleren), dazu, Nanotechnologie zu studieren. Drexlers Definition von Nanotechnologie ist strenger als die Taniguchis: Sie beschränkt sich auf die Konstruktion von komplexen Maschinen und Materialien aus einzelnen Atomen. Nach dieser Definition fällt die heutige Nanotechnologie also nicht unter das, was Drexler als Nanotechnologie ansieht. Dies veranlasste Drexler im Verlauf der 1990er Jahre dazu, seine Vorstellung von Nanotechnologie zur Abgrenzung in Molekulare Nanotechnologie (MNT) umzubenennen, denn vielfach wurde und wird der Begriff zur Bezeichnung aller Arbeiten verwandt, die sich mit Nanostrukturen befassen, auch wenn dabei gewöhnliche chemische, pharmazeutische oder physikalische Methoden verwendet werden.




Tatsächlich stehen derzeit viele Wissenschaftler Drexlers Vision von Nanotechnologie skeptisch bis offen ablehnend gegenüber. Wenn es auch nach Ansicht der Verfechter der MNT ihren Gegnern bisher nicht gelungen ist, überzeugende wissenschaftliche Argumente gegen die Umsetzbarkeit von MNT vorzubringen, halten viele doch die Machbarkeit für wenig wahrscheinlich, auch wenn Drexler mit Nanosystems 1991 ein Lehrbuch zu MNT herausgegeben hat, das auf Basis seiner Doktorarbeit am MIT in wissenschaftlicher Form die zu ihrer Verwirklichung nötigen Schritte beschreibt. Über die Jahre wurden zwar einige Annahmen Drexlers experimentell bestätigt, doch es bleiben viele Vorbehalte, die einer Verwirklichung entgegenstehen: Selbst wenn es gelänge, beispielsweise einen Nanomotor aus Metall herzustellen, wäre er nicht lange funktionsfähig: schon der Wasserfilm, der aufgrund der Adsorption von Luftfeuchtigkeit an der Metalloberfläche entsteht, würde den Motor lahmlegen. Metalle wie Eisen, Stahl oder Aluminium bilden an Luft einen dünnen Oxidfilm, der bei gewöhnlichen Werkstücken nicht stört. Die Oxidation von Nanometallen führt aber in der Regel zur vollständigen Umwandlung in das Oxid. Ein Nanomotor aus Metall würde also durch Luftsauerstoff quasi verbrannt. Man könnte also nur einen Motor bauen, der aus einem Stoff besteht, der durch Wasser nicht oxidiert.

Nanotechnologie als Trendwort

Nanotechnologie im Sinne Drexlers zieht ihre Faszination aus ihrer zwiespältigen Natur. So behaupten ihre Befürworter, die ausgereifte MNT ermögliche einerseits materiellen Reichtum für die gesamte Menschheit, die Besiedelung des Weltraums und individuelle Quasi-Unsterblichkeit; andererseits biete sie die Möglichkeit der Katastrophe für die gesamte Menschheit durch Kriege, globale Terroranschläge, einen unüberwindbaren Polizeistaat und totale Verfremdung des heutigen Menschenbilds durch Gentechnik. Diese sehr gegensätzlichen Aspekte machen Nanotechnologie in Drexlers Sinn vor allem für die Literatur interessant. Zahlreiche Autoren der Science-Fiction haben Nanotechnologie als Element in ihre Geschichten aufgenommen und als Buch oder Film umgesetzt. Dabei werden häufig die negativen Aspekte der Technologie beleuchtet und verarbeitet.

Die meisten seriösen Wissenschaftler halten Drexlers Visionen für überzogen. Manche betrachten ihn trotz seiner Studien eher als mehr oder weniger guten Science-Fiction-Autor.

Das Präfix nano- ist bei Unternehmern und Wissenschaftlern heute ähnlich beliebt wie in den 70er und 80er Jahren mikro- (z. B. Microsoft, AMD) und in den 90er Jahren das e- (z. B. eBanking, eGovernment, eBusiness etc.).

Heutige nanotechnologische Produkte

Zu den wichtigsten nanotechnologischen Produkten im weitesten Sinne zählen viele Pigmente und andere Zusatzstoffe (Additive) für Lacke und Kunststoffe, wie beispielsweise hochdisperse Kieselsäuren oder Ruß. Diese Produkte sind zum Teil seit über 40 Jahren auf dem Markt, erhalten aber im Zuge des allgemeinen Medienrummels ("Nano-Hype") oft im Nachhinein die Vorsilbe Nano. Typische moderne Vertreter von nanotechnologischen Produkten sind die sogenannten Quantenpunkte (engl. Quantum Dots). Auch moderne Prozessoren haben Strukturen, die kleiner sind als 100 nm und können daher als nanotechnologisch bezeichnet werden, obwohl das nicht üblich ist, da sie mit konventionellen lithographischen Verfahren hergestellt werden. Besondere Einsatzgebiete der Nanotechnologie sind heutzutage insbesondere die Beschichtung von Oberflächen oder die Herstellung von zahnärztlichen Füllungsmaterialien. Nanofüllkörper verhalten sich bei diesen Anwendungen nicht mehr wie eine amorphe Substanz, sondern nehmen Eigenschaften von Flüssigkeiten an.

Zusammenspiel der Wissenschaften

Eine große Besonderheit der Nanotechnologie ist, dass sie ein fachübergreifendes Zusammenspiel vieler, eigentlich spezialisierter Fachgebiete der Naturwissenschaften darstellt. So spielt die Physik eine wichtige Rolle, allein schon bei der Konstruktion der Mikroskope zur Untersuchung und vor allem wegen der Gesetze der Quantenmechanik. Für eine gewünschte Struktur der Materie und Atomanordnungen bedient man sich der Chemie. Der gezielte Einsatz von Nanopartikeln in der Medizin soll bei bestimmten Krankheiten helfen. Andererseits werden aber auch Strukturen, wie z. B. zweidimensionale Kristalle, im Nanometermaßstab aus DNA konstruiert, weil diese sich mit bisherigen Technologien (z. B. der Polymerase-Kettenreaktion) gut manipulieren lässt.

An der TU Ilmenau wird fachübergreifend im Sonderforschungsbereich 622 an einer Nanopositionier- und Nanomessmaschine gearbeitet. Diese Maschine wurde in Kooperation mit dem Unternehmen SIOS Messtechnik Ilmenau GmbH entwickelt und kann auf einem Messvolumen von 25 × 25 × 5 Millimetern eine bislang unerreichte Messauflösung von 0,1 Nanometer bieten! Zur Abtastung der Oberflächen wird ein Atomkraft- bzw Rasterkraftmikroskop verwendet. Ebenso kommen Fokussensoren zum Einsatz. Die Wissenschaft ist hier an einem Punkt angelangt, an dem die Grenzen der verschiedenen Disziplinen verschwimmen, man nennt Nanotechnologie deswegen auch eine konvergente Technologie.

Einsatzmöglichkeiten

Das momentan absehbare Ziel der Nanotechnologie ist die weitere Miniaturisierung der Halbleiterelektronik und der Optoelektronik sowie die industrielle Erzeugung neuartiger Werkstoffe wie z. B. Nanoröhren.

In der Medizin bieten Nanopartikel die Möglichkeit, neuartige Diagnostika und Therapeutika zu entwickeln, beispielsweise Kontrastmittel für die bildgebenden Verfahren der Computertomographie oder Magnetresonanztomographie sowie neue Medikamente mit Nanopartikeln als Wirkstofftransporter oder -depot. Oberflächen aus Nanostrukturen bieten die Möglichkeit, langlebigere, biokompatible Implantate zu entwickeln. Diese Disziplin der Nanotechnologie wird auch als Nanobiotechnologie bezeichnet. Wenn von einem Arzt Krebs/Tumor/ Geschwülste im Vorstadium entdeckt wird, kann diese durch Nanoteilchen zerstört werden.

Vorgehensweise: Der Arzt setzt eisenoxidhaltige Nanoteilchen in die Blutbahn, wo die Nanoteilchen richtung Krebs Tumor oder Geschwülst durch den Strom transportiert werden. Am Krebs/Tumor/Geschwülst angekommen, wird dieser durch ein erhitztes Magnetfeld (eisenoxidhaltig) zerstört.

Zahlreiche Anwendungen betreffen auch Probleme des Alltags: ein Beispiel dafür ist der Lotuseffekt, der selbstreinigende Oberflächen ermöglicht. Auch als Schutzanstrich für Karosserien wird die Nanotechnologie derzeit verwendet. Dabei fungiert ein nanoskalisches Bindemittel als Alternative zu Chromatschichten bei der Automobillackierung. Auch der Schutz vor ultravioletter Strahlung in modernen Sonnencremes besteht aus nanoskaligem Titandioxid.

Das Ziel der Entwicklung in der Nanotechnologie ist die digitale, programmierbare Manipulation der Materie auf atomarer Ebene und die daraus resultierende molekulare Fertigung, bzw. MNT.

Untersuchungen bis in den atomaren Bereich sind heute mit dem Elektronenmikroskop oder dem Rasterkraftmikroskop möglich.

Kritik

Ende der neunziger Jahre rückte die Nanotechnologie stärker in das öffentliche und mediale Interesse. Mit wachsenden Versprechungen („Dritte industrielle Revolution“) traten verstärkt auch technikkritische Stimmen an die Öffentlichkeit. Eine Initialfunktion für die Diskussion in Deutschland ist einem ursprünglich im April 2000 im Magazin „Wired“ erschienenen Artikel von Bill Joy „Why the future doesn't need us“ (gekürzter deutschsprachiger Nachdruck „Warum die Zukunft uns nicht braucht“ in der FAZ [Frankfurter Allgemeine Zeitung] vom 6. Juni 2000) zuzuschreiben. Joy ist Chief Scientist of Sun Microsystems, Wired eine wichtige Zeitschrift der IT-Community - beide mithin blinder Technikkritik weitgehend unverdächtig. Joy weist mit dramatischem Gestus auf gravierende Folgen der neuen Techniken - Gentechnik, Nanotechnologie, Robotik - hin und fordert Verzicht: Angesichts der Unsicherheit und Begrenztheit des Wissens über den Fortgang technischer Entwicklungen und der weitreichenden Potenziale von Nanotechnologie entstünden Risiken, denen man nur durch Verzicht auf Entwicklung und Nutzung dieser Techniken ausweichen könne. In der Folge werden durch wissenschaftliche Institutionen und Nichtregierungsorganisationen eine ganze Reihe von Studien und Positionspapieren publiziert, die sich aus unterschiedlicher Perspektive mit möglichen Folgen der Nanotechnologie beschäftigen und in ihren (politischen) Empfehlungen weit auseinandergehen.

Die Nord-Süd-Wissenschaftlervereinigung ETC Group mit Sitz in Kanada forderte 2003 ein Moratorium für die Nanotechnologie wegen befürchteter unkalkulierbarer Risiken. Im gleichen Jahr veröffentlichte Greenpeace eine kritische Studie zur Nanotechnologie. Im Juli 2004 legten die Royal Society und die Royal Academy of Engineering einen umfangreichen Bericht vor, in dem sie eine stärkere Regulierung von Nanotechnologien fordern. Der Bericht war ein Jahr zuvor von der britischen Regierung in Auftrag gegeben worden. Studien des Center for Biological and Environmental Nanotechnology (CBEN) an der Rice University zufolge reichern sich Nanopartikel über die Nahrungskette in Lebewesen an. Dies bedeute nicht zwangsläufig eine Schädlichkeit, betonen die Autoren, verweisen jedoch auf andere Technologien, die am Anfang ebenfalls als ungefährlich galten. Der Risikoforscher und Direktor des Stockholm Environment Institute Roger Kasperson sieht in der Nanotechnologie-Debatte Parallelen zum frühen Atomzeitalter.

Risiken und Gefahren

  • 2004 erschien der viel beachtete und überraschend skeptische Report „Nanotechnologie. Kleine Teile – grosse Zukunft?“ der schweizerischen Rückversicherungsgesellschaft Swiss Re. Der Report eines der weltgrößten Rückversichereres äußert die Befürchtung, dass Nanotubes ähnliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben könnten wie Asbest. Versicherungen wird empfohlen, die Risiken von Nanotechnologie auf keinen Fall unbegrenzt zu versichern. Um kumulative Folgeschäden für die Branche zu vermeiden, wird gefordert, die Versicherungen auf Versicherungsverträge bei Nanotechnologie grundsätzlich mit einer maximalen abzudeckenden Schadenshöhe zu versehen.[1]
  • Im Juni 2005 veröffentlichte die Allianz Versicherungs-AG eine Studie über die Chancen und Risiken von Nanotechnologie. Das Fazit: Forschung und Industrie müssten fundierte Erkenntnisse über Risiken erarbeiten. Wichtig seien internationale Standards, Langzeit-Beobachtung und Risiko-Transfer. „Das eigentliche Risiko der Nanotechnologie“, so die Studie „ist die Lücke, die zwischen ihrer dynamischen Entwicklung und dem Wissen um mögliche Gefahren und den gültigen Sicherheitsstandards zur Vermeidung negativer Auswirkungen besteht.“ Die beteiligten Allianz-Experten warnen vor „mögliche[n] Risiken […], die nicht nur gesundheitliche, sondern auch weitreichende wirtschaftliche Folgen haben könnten, wenn mit ihnen nicht professionell umgegangen wird.“[2]
  • Im März 2006 wurden zwei Reinigungssprays, die kurzfristig bei einem Discounter im Angebot waren, wegen erwiesener Gesundheitsgefährdungen aus dem Handel genommen: „Magic Nano Bad- und WC-Versiegeler“ und „Magic Nano Glas- und Keramik-Versiegeler“. Hersteller war die Fa. Kleinmann in Sonnenbühl (Baden-Württemberg). Dem Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) wurden mehr als 70 Fälle mit gravierenden Gesundheitsstörungen nach der Anwendung der Haushaltsprodukte gemeldet. Alle Betroffenen klagten über Atemnot. In sechs Fällen mussten Lungenödeme klinisch behandelt werden. Die Betroffenen hatten Bestandteile der Sprays eingeatmet. Die zuständigen Landesbehörden warnten vor den Produkten. Der Fall Magic Nano erwies sich allerdings als "Magic Marketing", da das Produkt nach Angaben des Herstellers gar keine Nanopartikel enthielt[3]. Diese Auskunft wurde nach einer Anhörung von 60 Experten durch das BfR bestätigt, das dazu mitteilte: „Der Begriff ’Nano im Produktnamen soll[te] vielmehr [nur] auf den hauchdünnen Film hinweisen, der sich nach dem Versprühen der Produkte auf der Oberfläche von Keramik oder Glas bildet“[4].
  • Am 8. April 2006 veröffentlicht die Washington Post einen Artikel mit der Überschrift „Nanotech Raises Worker-Safety Questions“[5], in dem beklagt wird, dass „keine bundesstaatlichen oder Bundesregeln zum Arbeitsschutz die spezifischen Gefahren von Nanomaterialien betreffen, obwohl viele Labor- und Tierstudien gezeigt haben, dass Nanopartikel [...] eigenartige biologische Reaktionen hervorrufen und viel toxischer sein können als größere Partikel derselben Chemikalien“. Der Artikel berichtet von Regierungsberatern, die nicht einmal wüssten, worauf genau sie ihre Untersuchungen konzentrieren sollten, auf deren Grundlage schließlich die erforderlichen Arbeitsschutzmaßnahmen zu entwickeln seien. Währenddessen gehe die Handhabung von Nanomaterialien in der Industrie ungebremst und ohne Sicherheitsstandard weiter.

Literatur

Fiktion

Sachliteratur

Siehe auch

Quellen

  1. ↑ Nanotechnologie. Kleine Teile - grosse Zukunft? Swiss Re (Hg.), Zürich 2004
  2. ↑ Allianz veröffentlicht Studie zur Nanotechnologie Allianz Versicherungs-AG, München, 3. Juni 2005
  3. ↑ Magic Nano Shows Industry Need for Standard Terminology. smalltimes.com, 14. April 2006
  4. ↑ Nanopartikel waren nicht die Ursache für Gesundheitsprobleme durch Versiegelungssprays! Bundesinstitut für Risikobewertung, 26. Mai 2006
  5. ↑ Nanotech Raises Worker-Safety Questions. washingtonpost.com, 8. April 2006
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