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NanoteilchenNanopartikel bzw. Nanoteilchen bezeichnen einen Verbund von wenigen bis einigen tausend Atomen oder Molekülen. Der Name entspringt ihrer Größe, die typischerweise bei 1 bis 100 Nanometern liegt. Ein Nanometer entspricht 10-9 = 0,000000001 Meter. Die Vorsilbe „nano“ leitet sich aus dem Griechischen „nanos“ für „Zwerg“ oder „zwergenhaft“ ab. Nanopartikel können sowohl auf natürlichem Wege (z. B. Vulkanausbruch oder Waldbrand), als auch durch anthropogene (vom Menschen verursachte) Einflüsse (z. B. Auto- und Industrieabgase) in die Umwelt gelangen. Synthetische Nanopartikel sind künstlich hergestellte Teilchen, die gezielt mit neuen Eigenschaften und/oder Funktionalitäten ausgestattet sind, wie z. B. elektrische Leitfähigkeit, chemische Reaktivität. Synthetische Nanopartikel können entsprechend ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften untergliedert werden. In der Forschung und Anwendung weit verbreitete Gruppen sind:
Kohlenstoffhaltige Nanopartikel können in unterschiedlichen Formen vorliegen:
Während Fullerene und Nanoröhren synthetisch hergestellt und von daher in ihrer Struktur klar definiert sind (z. B. Buckminster-Fulleren aus 60 Kohlenstoffatomen), versteht man unter Carbon black lediglich sehr kleine Kohlenstoffteilchen, die z. B. auch bei Verbrennungsprozessen entstehen können. Das hohe Nutzenpotential hat einen drastischen Anstieg in Herstellung und Anwendung der unterschiedlichsten Arten von Nanopartikeln zur Folge, doch es eröffnet sich auch ein breites Spektrum an möglichen Gefahren für uns und unsere Umwelt. Es ist demzufolge eine deutlich intensivere und vor allem kritischere Forschung notwendig, sodass ein verantwortungsvoller Umgang mit der Nanotechnologie und ihrer potentiellen Gefahren ermöglicht werden kann. Um die möglichen Gefährdungen, welche von den Nanopartikeln während ihrer Herstellung, Verwendung und Entsorgung für die Umwelt ausgehen, abschätzen zu können, wurde die Nanoökotoxikologie etabliert. Sie entstand neben der bis dahin bereits bestehenden Ökotoxikologie, da Nanopartikel neuartige chemische und physikalische Eigenschaften aufweisen. Diese erfordern neue Fragestellungen, Ansätze und Verfahren für die Risikoabschätzungen. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
EigenschaftenNanoteilchen besitzen spezielle chemische und physikalische Eigenschaften, die deutlich von denen des Festkörpers oder größerer Partikel abweichen. Besonderheiten treten beispielsweise auf in:
Spezielle NanoteilchenFullereneDie Fullerene sind braun-schwarze Pulver von metallischem Glanz. Sie lösen sich in manchen organischen Lösungsmitteln (z. B. Toluol) unter charakteristischer Färbung. Fullerene gehen bei ca. 400 °C vom festen in den gasförmigen Zustand über. KohlenstoffnanoröhrenKohlenstoffnanoröhren bestehen aus zylinderförmigen Graphitlagen und besitzen einen Durchmesser von 1–100 nm. Die Form der Nanoröhren kann einwandig, mehrwandig oder Y-förmig sein. Sie weisen u. a. eine hohe Transportgeschwindigkeit, eine hohe Reißfestigkeit und extreme Elastizität auf, außerdem sind sie sehr strapazierfähig. Sie haben eine 10mal höhere Zugfestigkeit als Stahl. [1]Je nach Detail der Struktur ist die elektrische Eigenschaft innerhalb der Röhre leitend oder halbleitend. Carbon blackGraphit (eine Form des Kohlenstoffs, neben Diamant und Fulleren) ist die Grundstruktur des Carbon black und ein weiches, schwarz-metallisch glänzendes Material, dass sowohl in natürlicher Form vorkommt, als auch künstlich hergestellt werden kann. Die Kristallstruktur des Graphits besteht aus vielen übereinanderliegenden parallelen Schichten, die in Größe und Anordnung variieren können. Innerhalb dieser Schichten kondensieren sp2-hybridisierte Kohlenstoffatome zu aromatischen Sechsringen und bilden ein konjugiertes π-System. Carbon black ist die englische Bezeichnung für Industrieruß, der unter kontrollierten Bedingungen gezielt hergestellt wird und physikalisch und chemisch definiert ist. Dem gegenüber steht der Kamin- bzw. Dieselruß, der als nicht genau definiertes Nebenprodukt bei der Verbrennung von Kohle bzw. Kohlenwasserstoffen entsteht. [2] [3] [4] Carbon black besteht zu 96–99 % aus Kohlenstoff, die restlichen Anteile sind Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel, die größtenteils (in funktionellen Gruppen) an der Oberfläche chemisch gebunden sind. An den Ecken und Kanten der aromatischen Verbindungen ist die Oberflächenenergie am größten, so dass eine Adsorption von Gasen und Flüssigkeiten bevorzugt stattfindet. [2] [3] Die Oxid-Gruppen auf der Porenoberfläche haben den größten Einfluss auf die physikochemischen Eigenschaften des Carbon blacks, wie die Wasseradsorptionsfähigkeit und katalytische, chemische und elektrische Reaktivität. Hauptsächlich bilden sich dabei basische Hydroxyl-, saure Carboxyl- sowie Carbonyl- und Lacton- Gruppen auf der Oberfläche. Bei der Herstellung von Aktivrußen können dabei funktionelle Sauerstoffgruppen mit einem Massenanteil von bis zu 15 % eingeführt werden.[3] HalbleiterHalbleiter sind Festkörper, deren Leitfähigkeit temperaturabhängig ist. Die Stromleitung erfolgt durch die Bewegung von Elektronen. Je höher die Temperatur ist, desto geringer ist der Widerstand und umso höher ist die Leitfähigkeit. Die Leitfähigkeit beginnt ca. beim Überschreiten der Raumtemperatur. Halbleiter-Nanokristalle sind wenige nm groß, sind stark leistungsfähig, langlebig und ungiftig [5] MetalleGegenüber bisher bekannten Größenordnungen von Metallen, haben metallische Nanopartikel auf Grund ihrer geringeren Größe veränderte chemische Eigenschaften, bei z. B. Gold erhöht sich die katalytische Wirkung. Bei sehr kleinen Goldnanopartikeln erniedrigt sich der Schmelzpunkt drastisch. [6] Zudem zeigen Alkalimetall-, Kupfer-, Silber- und Goldnanopartikel andere optische Eigenschaften im Vergleich zu den reinen Metallen. Sie zeigen in Lösung eine breite Absorptionsbande im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums und besitzen somit eine intensive Farbe (charakteristische Farbe von kolloidalem Gold: rot bis purpurrot). [7] Abgrenzung zu AerosolAerosol ist die Sammelbezeichnung für die in Gasen mitschwebenden, feinst verteilten (dispergierten), festen und flüssigen Teilchen (Schwebstoffe) unterschiedlicher Größe. Für Nanopartikel, die im Gas suspendiert sind, gelten die gleichen Naturgesetze – unabhängig davon, ob sie absichtlich oder unabsichtlich erzeugt wurden. HerstellungEs haben sich fünf Verfahren zu Herstellung von Nanoteilchen etabliert:
Je nach Einsatzgebiet der Nanoteilchen ist meist eine genau definierte und enge Partikelgrößenverteilung erforderlich. Abhängig von der chemischen Natur der gewünschten Nanoteilchen eignet sich das eine oder andere Verfahren besser, um ein gutes Ergebnis zu erreichen. Meist liefern Verfahren in Lösung oder Verfahren der Selbstorganisierung die besten Ergebnisse. Diese sind aber großtechnisch nur schwer oder gar nicht durchführbar. Verwendung und Nutzen von NanopartikelnNanomaterialienNanopartikel werden bereits bei der Herstellung vieler Produkte verwendet. Als ältester Nanowerkstoff wird teilweise Beton genannt, obwohl erst lange nach seiner ersten Verwendung erkannt wurde, dass dieser seine Festigkeit Kristallstrukturen verdankt, die lediglich einige Nanometer groß sind. Ob „Marmor von der Rolle“, Fassadenputz, der durch Beimischung von Nanoteilchen Schadstoffe und unangenehme Gerüche beseitigt oder Nanoteilchen auf Dachziegeln, die ein Wachstum von Algen verhindern sollen – es gibt sehr viele Möglichkeiten, Materialien mit Hilfe der Nanotechnologie zu verbessern. [8] Etliche kosmetische Produkte, wie verschiedene Sonnencremes, Deodorants und Zahnpasten enthalten Nanopartikel, wie Titandioxid (TiO2) und Aluminiumoxid (Al2O3), auch Lebensmitteln werden bereits Nanopartikel beigesetzt. In Tomaten-Ketchup dient Siliziumoxid als Verdickungsmittel, Titandioxid wird zur Aufhellung von Salatdressings verwendet und Aluminiumsilikat wirkt der Verklumpung pulverförmiger Lebensmittel entgegen. [9] Weitere Beispiele sind Nanopartikel in Farben und Lacken sowie Imprägniermitteln für alle Arten von Oberflächen, welche Schutz vor mechanischer Beschädigung bieten sollen. NanoelektronikEs ist gelungen, logische Schaltkreise aus Kohlenstoff-Nanoröhren und aus Halbleiter-Nanokabeln zu bilden. Dies könnten die ersten Schritte zur Verwirklichung von Nanocomputern sein. [10] [11] Nanokristalle aus Indium-Arsenid werden verwendet, um Licht emittierende Dioden (LEDs) herzustellen. Die Strahlungswellenlänge liegt bei der von Telekommunikationssystemen. Ein Anwendungsgebiet könnte also die Telekommunikationstechnik sein.[12] siehe auch: Oberflächenchemie Militärischer EinsatzDie vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Nanotechnik eröffnen auch dem Militär neue Türen. So wären beispielsweise kleine, eingebaute Rechner in Waffen oder Uniformen denkbar – oder der Einsatz leistungsfähigerer Computer, die für die Gefechtsführung von Nutzen wären. Auch das Implantieren von Nanotechnik in die Körper von Soldaten zur Kommunikation, Überwachung oder der Abgabe von Drogen wäre möglich.[13] Nutzen für die UmweltDie Nanotechnologie bietet auch Potentiale zur Entlastung der Umwelt, allerdings befinden sich viele der Anwendungen noch in der Entwicklung.
NanomedizinDurch die Nanotechnologie eröffnet sich ein weites Feld für medizinische Anwendungen.
Mögliche RisikenDie enorme Reaktivität von Nanopartikeln und der drastische Anstieg in Herstellung und Anwendung der unterschiedlichsten Arten von Nanopartikeln eröffnen ein breites Spektrum an möglichen Gefahren für Mensch und Umwelt. Keines der Produkte stellt, nach Herstellerangaben, eine gesundheitliche oder ökologische Gefahr dar, doch diese Behauptung ist mit dem derzeitigen Wissen über das chemische und physikalische Verhalten von Nanopartikeln, insbesondere in Hinblick auf ökologischen Systeme, nicht haltbar. Die Erweiterung der Produktpalette zu Gunsten des Verbrauchers kann große Vorteile mit sich bringen, allerdings müssen Vor- und Nachteile der bereits angewandten Nanotechnologien und der verwendeten Materialien sorgfältig abgewägt werden.[20] Zahlreiche Untersuchungen weisen bereits mögliche umweltschädigende und gesundheitsschädliche Aspekte der Nanotechnologien auf, so zum Beispiel die Aufnahme der Partikel in den Organismus über die Atemwege, die Haut und den Mund, sogar bei schon auf dem Markt befindlichen Produkten wie Kosmetika und Nahrungszusatzstoffen. Risiken für den MenschenDurch den Konsum und die Verwendung von nanopartikelhaltigen Produkten kommen Menschen mit diesen potentiell gesundheitsschädlichen Substanzen in Kontakt. Werden die Partikel in den Organismus aufgenommen, können sie dort erheblichen Schaden anrichten und zur Ursache für Krankheiten werden. Zudem besteht bei der Herstellung von Nanopartikeln die Gefahr der Exposition, da aufgrund der mangelnden Risikoforschung auch die in Laboren geltenden Regeln zur Sicherheit am Arbeitsplatz unzureichend sind. Nanopartikel können auf Grund ihrer kleinen Ausmaße (10–100 nm) über die Haut, die Atemwege und über den Magen-Darm-Trakt in den Körper aufgenommen werden und verteilen sich dort über den Blutkreislauf im gesamten Organismus.
Risiken für die UmweltEs ist nicht klar, ob diese ökologischen Risiken und Gefahren auch für in Trägersubstanzen (Lacke, Fassadenfarben, Textilien) oder technische Geräte (Informationstechnologie) eingebrachte Nanopartikel gilt. Der derzeitige Stand der Wissenschaft lässt keine verlässlichen Aussagen über die Gefahr und die Gesundheitsschädlichkeit bzgl. nanoskaliger Inhaltsstoffe und Komponenten zu. Es ist nach wie vor zu klären, ob auf Grund bestimmter Witterungsverhältnisse oder durch mechanische Belastung Nanopartikel aus Fassadenfarben, Autoreifen oder -lacken in Form nanoskaligen Abriebs austreten können. Kommt es zu Auswaschung nanoskaliger Partikel aus festen Trägersubstanzen, so ist auch hier mit einer Belastung für Mensch und Umwelt zu rechnen. Die Anwendung nanoskaliger Verbindungen ist mit hoher Wahrscheinlichkeit gleichbedeutend mit ihrem Eintrag in die Umwelt bzw. deren Eintritt in Nahrungsketten und infolgedessen der Schädigung ökologischer Systeme. Selbst wenn durch die Nanomaterialien als solche keine direkten Schäden verursacht werden sollten, könnten Nanopartikel aufgrund ihrer hohen Reaktivität andere Schadstoffe binden und ihnen den Transport in der Luft oder im Wasser erleichtern. Dies hätte eine erhöhte Belastung für die Umwelt und Organismen zur Folge.[20] Auf das Verhalten von Nanopartikeln in der Luft wird unter Gefahren bei der Herstellung näher eingegangen. Auch im Wasser können Partikel über Bindung anderer Substanzen grundlegend ihre Eigenschaften ändern, sodass beispielsweise die Aufnahme von Nanopartikeln in Organismen erleichtert würde. Entweder die Nanopartikel selber oder die an sie gebunden Schadstoffe könnten in den Organismen negative Effekte auslösen.[20] Werden die durch Lebensmittel, Kosmetika, etc. vom Menschen aufgenommenen oder verwendeten Nanopartikel ausgeschieden bzw. abgegeben, so gelangen sie über das Abwasser in Gewässer und Böden. Auch bei der Grundwassersanierung mithilfe spezieller Nanopartikel kommt es möglicherweise zu einer hohen Belastung der Böden. Dort besteht die Gefahr, dass die Nanopartikel von Tieren und Pflanzen aufgenommen werden und somit in die Nahrungskette eintreten.[20] Hinweise zu negativen bzw. hemmenden Effekten von Nanopartikeln auf das Wurzelwachstum von Pflanzen ergeben sich aus einer Studie von Ling Yang und Daniel J. Watts vom New Jersey Institute of Technology.[24] Aufgrund dieser beunruhigenden Forschungsergebnisse sollte man unbedingt klären, ob und in welcher Form Nanomaterialien während des Herstellungsprozesses, beim Gebrauch eines Produktes, durch Alterung und Abbau sowie bei Entsorgung und Wiederverwertung in die Umwelt gelangen können. Das Bundesministerium für Umwelt (BMU) sieht seine Aufgabe im Schutz von Umwelt und Gesundheit. Laut eines Artikel des BMU sind Überlegungen zur Entsorgung von Nanopartikeln jedoch immer noch mit einem Fragezeichen versehen. [25] Die biologische Aktivität der Nanopartikel hängt ab von Größe, Form, Chemie, Oberfläche und Löslichkeit der Partikel. Das Gefährdungspotential besteht vor allem durch die Bindung an und von toxischen Substanzen, die Mobilisierung von Schwermetallen, Bindung von Nährstoffen im Grundwasser, Anreicherung über die Nahrungskette, weltweite Verbreitung über die Luft und Veränderung der Mikrofauna durch biozide Wirkung in Boden und Wasser.[26] Beim Erstellen von Entsorgungsrichtlinien sollte man also primär klären, ob die Partikel frei oder an eine Matrix gebunden vorliegen, ob sie wasserlöslich sind oder nicht, ob sie zerfallen oder sich zusammenlagern. Es gibt nicht „das Nanopartikel“, jeder Stoff muss individuell betrachtet werden und dazu müssen zunächst die verschiedenen Partikel charakterisiert und normiert werden.[26] Trotz noch unzureichender Entsorgungsrichtlinien, oder besser gesagt: trotz völligem Fehlen von Entsorgungsrichtlinien (laut unbestätigter Quellen sollen einige Firmen ihre Nanoabfälle einfach ins Abwasser geben!) wird schon eifrig geforscht, wobei umweltschädigende Aspekte oft außer Acht gelassen werden. So steht Deutschland nach Angaben des Bundesforschungsministeriums mit jährlich 290 Millionen Euro an öffentlichen Fördermitteln in Europa derzeit an der Spitze der Nanoforschung. Die EU stellt insgesamt 740 Millionen Euro an öffentlichen Geldern zur Verfügung.[27]
Risiken bei der HerstellungBei der Herstellung von Nanopartikeln besteht die Gefahr der Exposition von Menschen an ihrem Arbeitsplatz, denn die Kenntnisse über das tatsächliche Verhalten nanoskaliger Substanzen sind so gering, dass das Aufstellen sinnvoller MAK- oder TRK-Werte nicht zu einem zufrieden stellenden Maße möglich ist. Dieses Unwissen über allgemeine chemische und physikalische Eigenschaften von Partikeln dieser Größenordnung und auch die mangelnde ethische Auseinandersetzung mit diesem Gebiet wird womöglich zur „versehentlichen“ Produktion hochgefährlicher Substanzen führen, die exponierten Organismen großen Schaden zufügen. Durch Fehler in der Apparatur können Nanopartikel bei ihrer Synthese in die Umgebung abgegeben werden. Dabei ist ein solcher Unfall wesentlich schwerer zu ermitteln als bei größeren Partikeln, weil die Konzentrationen, in denen Nanopartikel vorliegen meist sehr niedrig sind. Nanopartikel bewegen sich sehr schnell und können in der Luft große Strecken zurücklegen. Sie verteilen sich somit in kürzester Zeit im Raum, sodass nicht nur Bereiche in der direkten Umgebung kontaminiert werden, sondern auch weiter entfernte Bereiche und Personen. Zur Kontrolle sind hier hoch sensitive Gasdetektionssysteme notwendig.[20] Momentan sind weder geeignete Masken, noch Hochleistungsfilter verfügbar, die direkt ausgesetzten Personen einen ausreichenden Schutz bieten.[21] Zwar unterliegen Nanopartikel durch Kollision und Zusammenlagerung einem schnellen Wachstumsprozess, jedoch handelt es sich aber bei den aggregierten Partikeln meist immer noch um Nanopartikel.[20] Der Herstellung wird in naher Zukunft der Ferntransport von Nanopartikeln folgen. Unfälle, wie ein leckschlagender oder sinkender Öltanker wären, auf Nanopartikel übertragen, derzeit möglicherweise Katastrophen mit unabsehbaren Ausmaßen. Die Produktion großer Mengen von Substanzen wie den Nanopartikeln muss eine gezielte Entsorgungswirtschaft und –politik mit besonderer Aufmerksamkeit bezüglich der Chemie und Reaktivität des zu entsorgenden Materials nach sich ziehen. Außerdem müssen Sicherheitsstandards sowohl bei der Herstellung als auch für den Transport nach dem Gefahrenpotential der betreffenden Substanzen ausgerichtet werden. Dies ist in Hinblick für Nanopartikel nicht möglich, da die Produktpalette bereits jetzt wesentlich größer ist als die Palette der untersuchten Nanopartikel. Einzelnachweise
LiteraturBücher
Aufsätze
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Nanoteilchen aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |