Kommen wir nun wenigstens kurz zu den neuen Regeln im Reich der Zwerge (Quellen u.a. 1, 2) Die folgende Tabelle zeigt einige Unterschiede zwischen der Makro- und der Nano-Welt.


(Quelle)


Wie Richard Feynman schon 1959 voraus dachte, sind für Objekte mit sehr kleinen Abmessungen andere physikalische und chemische Gesetze wesentlich als für größere. Feynman dachte daran, dass die Gravitation unwichtig wird. Auch die Trägheit wird unwesentlich. Dafür bekommen solche Effekte wie die Oberflächenspannung und die Van-der-Waals-Kräfte mehr Bedeutung.

Je kleiner die sich verbindenden Moleküle und Strukturen sind, desto geringer ist die Anzahl der Bindungen, aber desto stärker die einzelne Bindung. (nach Köhler, Fritsche 2007: 28) Auf diese Weise entstehen neue Material- und Oberflächeneigenschaften.

Weiterhin sind hier jene Effekte zu nennen, die sich für Nanoobjekte daraus ergeben, dass sie eine im Vergleich zum Volumen sehr große Oberfläche haben. (Mathematik: Das Volumen wächst mit r3 und die Oberfläche mit r2).Ein Goldklümpchen mit einem Durchmesser von 3 Nanometern enthält ein Drittel Oberflächenatome. Deren Eigenschaften bestimmen jetzt das Gesamtverhalten wie beispielsweise die Schmelztemperatur.
(Quelle)

Oberflächenmoleküle sind auch besonders reaktiv und sie reagieren mit ihrer Umgebung heftig (z.B. bei Staubexplosionen). Genutzt wird der Effekt der verstärkten Grenzflächenwechselwirkung beispielsweise beim Einsatz von Nanoteilchen als Füllstoff, wodurch Materialien (sog. Nanocomposites) gewünschte Eigenschaften wie herabgesetzte Brennbarkeit, reduzierter Abrieb und Sperrwirkung gegen Gase und Flüssigkeiten erhalten.

Im Bereich sehr kleiner Festkörper gilt auch die Annahme einer „periodischen Randbedingung“ für als unendlich groß angenommene Körper nicht mehr. Dadurch verändern sich die Eigenschaften der einzelnen oder wenigen Partikel in einem größeren Festkörper, indem einzelne Bindungen und auch einzelne Moleküle das Gesamtverhalten stärker bestimmen (vgl. Köhler, Fritzsche 2007: 13).

Quantenmechanische Berechnung des Confinement-Effekts.

Angesichts der geringen Dimensionen von Nanoobjekten erhalten hier natürlich Quanteneffekte eine große Bedeutung. Dies betrifft z.B. den „quantum confinement effect“: Gelangt der Körperdurchmesser eines Nanopartikels eines bestimmten Elements in den Bereich der Wellenlänge des Elektrons, was für Silizium bei 4,9 nm, bei CdSe bei 6,1 nm erreicht ist, wird das Energiespektrum diskret. Das zeigt sich z.B. in Farbänderungen in Abhängigkeit von der Größe der Nanopartikel.

Ein Quantenpunktlaser ändert beispielsweise seine Wellenlänge, wenn die Größe der Quantenpunkte variiert. Auch der für Nanoobjekte bekannte Wechsel vom Ferromagnetismus zum Paramagnetismus beruht auf mit der Größe veränderlichen Austauschenergien in der Austauschwechselwirkung (1, 2) (vgl. „Magnetismus von dünnen Schichten und Nanostrukturen“).

Bei einer Verkleinerung der Partikel von Halbleitern wie Silizium unter die „Debye-Länge“ führt zu qualitativen, nicht kontinuierlichen Veränderungen der Bandlücke (Schmid u.a. 2003: 28)

Besonders spannend ist die Entwicklung, die im Bereich der Entwicklung von Quantencomputern zu erwarten ist, sobald Phänomene, die mit der Veränderung des Spins einzelner Elektronen zu tun haben, erforscht und handhabbar werden.

Eine gute Übersicht über Materialien, Nanoeigenschaften und mögliche Anwendungen ist zu finden im Greenpeace-Bericht aus dem Jahr 2003 auf den Seiten 15 bis 29.

Was kann man damit machen?

Wenn man Werbebroschüren aus der Nanowelt in die Hand nimmt, wird man überschüttet mit Beispielen zu Nanoeffekten aus der Natur und den mittlerweile möglichen technischen „Nachbauten“ von Nanoeffekten wie dem Lotuseffekt.

(Quelle: Wikipedia)

Auch andere natürliche Phänomene beruhen auf Nanoeffekten (vgl. Boeing 2006: 37). So z.B. die leuchtend blaue Färbung des Schmetterlings Morpho Rhetenor , bei der übereinander liegende Schichten im Flügel das Material abwechselnd hohe bzw. niedrige Brechungswinkel haben. Ein anderes Beispiel ist das Perlmutt. Hier sind nur wenige Nanomater starke Kalkplatten mit einem Protein verbunden und diese Kombination ist härter als viele anorganische Substanzen. Die Kalkplatten müssen aber wirklich nano-klein genug sein! Auch Spinnenfäden erhalten ihre besondere Zähigkeit durch Nanoeffekte.

Die Technik versucht nicht nur, die Tricks der Natur nachzumachen (wie beim Lotusblüteneffekt), sondern sie kann weitere Nanoeffekte nutzen:


(Quelle)
  • So hängt die Farbe dieser Cadmium-Tellurid-Partikel von der Partikelgröße ab.
  • Die Partikel werden als Nanopartikel meist reaktionsfreudiger;
  • aus vielen Metallen werden Halbleiter und Isolatoren.

Wissenschaftssendungen im Fernsehen berichten über bereits aktuelle Anwendungen der Nanotechnologie, und Nano-Zukunftsvisionen. Genau genommen werden Nanoeffekte auch in der Technik bereits seit langem verwendet. So beruht die Farbe der mittelalterlichen Buntglasfenster auf den Eigenschaften von Nanopartikeln.

Heute geht es aber um die gezielte Entwicklung von neuen Materialien und Verfahren, die auf dem Wissen über die Nanoeffekte basieren, bzw. dieses mit entwickeln. Den Endprodukten sieht man das „Nano“ dann oft nicht mehr an, wichtig ist das Verständnis der Zwischenschritte im Aufbau und der Funktionsweise.

(Quelle)

Verbundmaterialien und Beschichtungen ermöglichen spezielle Funktionen. So werden Nano-Keramikpartikel mit organischen Hüllen, die die Oberflächenspannung herabsetzen, für die Beschichtung von beschlagfreien Badezimmerspiegeln verwendet. Als Dichtungsmittel werden magnetisch formbare Flüssigkeiten (Ferrofluide) verwendet, bei denen nanoskalige Partikel aus Magnetit beschichtet werden.

Fluorhaltige Lacke, bei denen aus der Schicht herausragende Fluoratome die Oberfläche bilden, bewirken einen wasserabperlenden Lotusblüteneffekt, sie weisen Öl (z.B. auch aus Graffitifarbe) ab und sind sehr hart. Metalloxide in bestimmten Mischungen können als Katalysatoren wirken und WC-Geruch umwandeln. Noch gibt es kein Produkt, was es nicht auch ohne Nano gäbe (vgl. Boeing 2006: 183), aber Nanozutaten sind schon in ca. 800 Produkten auf dem Markt. So sind Titanoxidpartikel in Sonnenschutzmitteln UV-strahlungsschluckend, ohne dass die Creme weiß schmierig wird wie üblich. General Motors setzte seit 2002 ein Nanoverbundmaterial in der Karosserie eines Fahrzeugs eingesetzt. (weitere Beispiele siehe z.B. in Shelley 2007: 24 ff.)

Kontraproduktiv wird es natürlich, wenn ein Duschgel mit Nano-Goldteilchen „exquisiten Duschgenuss“ verspricht, die Kundinnen sich dann aber doch nicht wie eine „Goldmarie“ mit Gold eingepudert finden:

(Quelle)

Viel wichtiger könnten andere Einsatzmöglichkeiten sein: Eisen-Nanoteilchen sind imstande, viele Schadstoffe umzuwandeln. Sie können auch Schwermetalle oder radioaktive Nuklide unbeweglich machen. Gold- oder Palladiumnanoteilchen könnten für die Sanierung von Trichlorethen verwendet werden. (Shelley 2007: 106).

Ich könnte seitenlang weiter schreiben über die vielfältigen Möglichkeiten der Verwendung von Nanoeigenschaften in den verschiedensten Materialien. (sehr gut beschrieben findet man sie z.B. in Boeing 2006). Eine Übersicht, in welchen Produkten bereits Nanoteilchen enthalten sind, findet sich bei stern.de.

Besonders für die Medizin werden vielfältige Anwendungsmöglichkeiten erforscht: Am bekanntesten wurden sicherlich die Silbernano-Teilchen, die eine antibakterielle Wirkung haben. Nanoteilchen strahlen starke Lichtsignale aus, deren Farbe von der Partikelgröße abhängt. Sie werden in der Medizintechnik als Halbleiter bei bildgebenden Verfahren eingesetzt. So können sie beispielsweise als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie Tumore sichtbar machen.

Im Jahr 2009 gelang es auch erstmals, Nanopartikel als Vehikel für das Einschleusen von Medikamenten ins Hirn zu nutzen. Auch Gene, die neuronale Stammzellen zur Differenzierung in Nervenzellen anregen, wurden schon eingeschleust. Damit sollen neurologische Erkrankungen wie Alzheimerdemenz, Morbis Parkinson oder Schlaganfallfolgen bekämpft werden. (Mikecz 2010 : 58)

Die ungeheure Vielfalt der möglichen Anwendungsbeispiele für die Nanotechnologie ist auch dadurch begründet, dass Nanotechnologie eine Querschnittswissenschaft bzw. –technologie ist und einen „ermöglichenden“ Charakter für vieles hat. Es ist quasi ein „Mittel an sich“ für beinahe beliebige Zwecke (vgl. Grunwald 2008b: 44).

(Quelle)

Über aktuelle Entwicklungen im Bereich der Nanowissenschaft und -technologie berichtet beispielsweise das Dossier von Spektrumdirekt.
Die folgende Darstellung zeigt mögliche Anwendungen für die Nanotechnik im Verlaufe der Zeit.

Anwendungen für Nanotechnik im Zeithorizont (Quelle)

Nanotechnische Anwendungen werden aus dem Alltag in nicht allzuferner Zukunft wohl nicht mehr wegzudenken sein.

Die Erwartungen können nicht hoch genug sein:

„So werden wesentliche Beiträge zur Lösung zentraler und globaler Zukunftsfragen durch die Anwendung nanotechnologischer Erkenntnisse erwartet, wie etwa zur Sicherung des Energiebedarfs, zum Erhalt der natürlichen Lebensgrundlagen durch Ressourceneinsparungen sowie zur umfassenden und vorbeugenden medizinischen Versorgung.“ (BMBF 2006)

(Quelle)

Es wird noch utopischer. Die „Engines of Creation“ des wohl bekanntesten Nano-Visionärs Eric Drexler (über die ich schon berichtet hatte) versprechen das Paradies auf Erden: Assembler, also molekülartige kleine Roboter stellen beliebige materielle Produkte her und bringen damit einen unvorstellbaren Reichtum mit sich. Sie ermöglichen ein Leben ohne Arbeit. Außerdem befreien sie uns von Krankheiten, Leiden und Tod, weil die Assembler den menschlichen Körper reparieren und regenerieren. Sie lösen alle Umweltprobleme und ermöglichen ein Leben in neuer sozialer Harmonie durch die elektronische Vernetzung der Gehirne. Außerdem erschließen sie uns neue Lebensräume im Weltraum. Drexler warnt auch sehr deutlich vor extremen Gefahren, die sich aus seiner Vision eventuell ergeben könnten („Grauer Schleim“ ).

Die Versprechungen der ersten Nano-Initiativen bilden die Heilsversprechungen ganz gut ab (siehe z.B. Roco, Bainbridge 2001:3f.. und Roco, Bainbridge 2003: 2f. ) Nanotechnologie erscheint also nicht nur als normale neue Technologie, sondern als DIE neue Technologie – wir werden beim Thema „Konvergenz“ noch darauf zu sprechen kommen.

Das ist aber noch nicht alles, was Nanotechnologie an Besonderheiten aufzubieten hat. Normale Nano-Bücher ergötzen sich lediglich in den schönen und spannenden technischen und wissenschaftlichen Neuerungen – aber für Joachim Schummer beginnt das nachdenklich machende „Staunen“ an anderer Stelle: Der raketenhafte Aufstieg der „Nanotechnologie“ begannt völlig unerwartet ziemlich genau mit der Jahrtausendwende im Jahr 2000. Dabei hatten die vielen Trendanalysen, die in den 90ern für das neue Jahrtausend erstellt worden waren, diesen Trend überhaupt nicht auf dem Schirm (Schummer 2003: 10). Woher kam die Nanotechnologie dann so plötzlich?

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