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Nanotechnologie

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Datei:Nanogearandbug.jpg
Eine Milbe neben mehreren Zahnrädern, welche mittels Mikrosystemtechnik produziert wurden. Mit freundlicher Genehmigung der Sandia National Laboratories, SUMMiTTM Technologies, www.mems.sandia.gov

Nanotechnologie (griech. nánnos = Zwerg) ist ein Sammelbegriff für eine breite Auswahl von Technologien, die sich der Erforschung, Bearbeitung und Produktion von Gegenständen und Strukturen widmen, die in mindestens einer Dimension kleiner als 100 Nanometer (nm) sind. 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.

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.

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, darunter auch Richard E. Smalley (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 90er 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.

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. 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.

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.

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.

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.

Die Lebensmittelindustrie (Nestlé) arbeitet an nanotechnologisch veränderten Lebensmitteln, um Geschmack, Farbe und andere Eigenschaften designen zu können. Nanotechnologisch hergestellte Lebensmittelzusatzstoffe sind bereits im Einsatz (BASF).

Kritik

Politische Initiativen in den großen Industrienationen Ende der neunziger Jahre rückten 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 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 publizieren, 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

  • Am 28.3.2006 meldete AFP, dass zwei Reinigungssprays, die kurzfristig beim Discounter PENNY im Angebot waren, wegen erwiesener Gesundheitsgefährdungen aus dem Handel genommen worden seien. Es handelt sich dabei um die Produkte "Magic Nano Bad- und WC-Versiegeler" und "Magic Nano Glas- und Keramik-Versiegeler", wie der Hersteller, die Fa. Kleinmann in Sonnenbühl (Baden-Württemberg), mitteilte. Dem Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) wurden nach eigenen Angaben innerhalb kurzer Zeit von den Giftinformationszentren der Bundesländer 39 Fälle mit gravierenden Gesundheitsstörungen nach der Anwendung solcher Haushaltsprodukte gemeldet. Alle Betroffenen klagten über Atemnot. In sechs Fällen wurden Lungenödeme diagnostiziert, die klinisch behandelt werden mussten. Die Betroffenen hatten offenbar Bestandteile der zerstäubten Sprays eingeatmet, die als feines Aerosol in der Raumluft verblieben waren. Die Partikel und Bestandteile der Sprays haben möglicherweise die Funktion des Alveolar- und Bronchialgewebes in der Lunge und damit den Sauerstoff- bzw. Feuchtigkeitsaustausch gestört. Die zuständigen Landesbehörden und die Giftinformationszentren der Länder haben inzwischen vor zwei Produkten gewarnt, die nach Angabe des Herstellers in Penny-Märkten vertrieben wurden (z.B. [[1]]). "Es ist nicht bekannt", schreibt das BfR, "ob über die beiden genannten Produkte hinaus weitere, mit nanotechnologisch hergestellten Bestandteilen versehene, Treibgas enthaltende Produkte (z.B. Schuhpflegemittel, Imprägniermittel, Nässeblocker etc.) im Verkehr sind und Gesundheitsgefahren bergen könnten." Der Fall von Magic Nano scheint allerdings eher ein Fall von "Magic Marketing" zu sein, da das Produkt nach Angaben des Herstellers der Formulierung gar keine Nanopartikel enthält [[2]]. Auch dies gehört zu den Risiken und Gefahren im Bereich der Nanotechnologie.
  • Am 8.4.2006 veröffentlicht die "Washington Post" einen Artikel mit der Überschrift "Nanotech Raises Worker-Safety Questions" [[3]], 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". Es wird in dem Artikel von Regierungsberatern berichtet, die nicht einmal wüßten, worauf genau sie ihre Untersuchungen konzentrieren sollen, auf deren Grundlage schließlich die erforderlichen Arbeitsschutzmaßnahmen zu entwickeln seien - währenddessen die Handhabung von Nanomaterialien in der Industrie freilich ungebremst und ohne Sicherheitsstandards weitergehe.

Literatur

Fiktion

Sachliteratur

Siehe auch

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