Unsere heutige Gesellschaft steht vor gewaltigen Aufgaben. Globalisierung, Klimawandel, Energieversorgung und Rohstoffmangel sind Aufgaben die mit herkömmlichen Herangehensweisen nicht mehr bewältigt werden können. Immer häufiger ist in diesem Zusammenhang von Zukunftstechnologien die Rede. Einen besonderen Stellenwert bei der Diskussion dieser Technologien nimmt die Nanotechnologie ein.
Die Nanotechnologie als fest definierte Wissenschaft existiert eigentlich nicht. Vielmehr handelt es sich um einen Sammelbegriff für unterschiedliche Anwendungsbereiche aus verschiedenen Wissenschaftsbereichen wie Automobilbau, Optik, Elektronik, Medizintechnik, Bauwesen, Energietechnik, Umwelttechnik, Luft- und Raumfahrt, Mikrosystem- und Informationstechnik. Nanotechnologie beschäftigt sich mit Strukturen und Prozessen, die auf der Nanometerskala ablaufen, also im Bereich unter einem Milliardstel Meter (= 1 nm). Streng genommen verwendet die Nanotechnologie Objekte und Strukturen, die kleiner als 100 Nanometer sind. In diesem Bereich kleinster Größen spielen quantenphysikalische Effekte eine große Rolle, die mit den Mitteln der klassischen Physik nur unzureichend oder gar nicht mehr zu beschreiben sind. Die grundlegende mathematische Struktur der Quantenphysik unterscheidet sich ebenso maßgeblich von der klassischen Physik, wie einige fundamentale physikalische Prinzipien, die aus dem Alltagsverständnis nicht mehr wegzudenken sind. Der bekannteste quantenmechanische Effekt ist der Tunnel-Effekt. Danach ist es möglich, dass ein Teilchen eine Barriere überwindet, obwohl es nach den Gesetzen der klassischen Physik dafür nicht genügend Energie besitzt. Einen weiteren quantenphysikalischen Effekt entdeckte 1988 der Physiker Prof. Dr. Peter A. Grünberg mit dem Riesenmagnetwiderstand (Giant Magneto-Restistance, GMR). Dabei geht es um magnetische Wechselwirkungen hauchdünner magnetischer Schichten, die bei gegenläufiger Orientierung einen sehr großen elektrischen Widerstand besitzen, der aber sehr klein wird, wenn ein äußeres Magnetfeld angelegt wird. Ohne diese Entdeckung von Grünberg wäre die heutige Festplattenarchitektur moderner PCs mit einer Speicherdichte von etwa 4 Gigabyte pro cm2 nicht möglich. Weitere Anwendungsgebiete sind ABS-Systeme im Automobilbau oder Winkel- und Positionssensoren in der Robotik. Für diese bedeutsame Entdeckung wurde Grünberg 2007 zusammen mit dem französischen Physiker Albert L. F. Fert, der unabhängig von Grünberg Forschungen mit ähnliche Ergebnisse betrieb, mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Natürlich beschränkt sich die Anwendung von Nanotechnologie nicht auf die Physik. Sie lässt sich überall einsetzen wo es um die Entwicklung von Materialien mit kleinsten Strukturen geht. Die Forschung geht dabei völlig neue interdisziplinäre Wege und verknüpft so Physik, Biologie, Chemie, Medizin und deren Unterkategorien zu einer neuen Innovationswissenschaft.
Bei der Herstellung von Nanopartikeln werden zwei grundlegende Strategien angewendet. Entweder entstehen sie bei der Zerkleinerung eines beliebigen Ausgangsmaterials wie z.B. Kohlenstoff, wobei die Zerkleinerungsprozesse so lange durchgeführt werden, bis die Nanodimension erreicht ist. Diese Vorgehensweise nennt man auch “Top-down” (von oben nach unten) und wird vorzugsweise von der Physik verfolgt. Oder die Nanoteilchen werden in speziellen Verfahren hergestellt und nennen sich dann Nanotubes (Nanoröhrchen) oder Bucky Bells (Ball aus Atomen). Diesen Vorgang nennt man “Bottom-up” (von unten nach oben), da hier aus atomaren bzw. molekularen Bausteinen immer komplexere und organisiertere Strukturen gezielt künstlich gebildet werden. Diese Herstellungsverfahren werden überwiegend in der Chemie und Biologie angewendet.
Die natürlichen Nanopartikel aus den Miniaturisierungsprozessen wurden schon vor vielen Jahren industriell genutzt. Zwar wußte man noch nichts von den Wirkungszusammenhängen, aber erste Anwendungen gab es bereits in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts. Damals wurde bei der Produktion von Autoreifen amorpher Kohlenstoff zugefügt, um den Reifenabrieb auf rauen Belägen zu reduzieren. Das Rastertunnelmikroskop war noch nicht erfunden und so war es den Entwicklern lediglich möglich die Wirkung ihrer Beigabe im Feldversuch zu beobachten. Die genaue Ursache des Erfolges konnte damals noch nicht erschlossen werden. Heute sind die Möglichkeiten der Visualisierung durch die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops wesentlich verbessert. Für die Verwendung von miniaturisierten Nanopartikeln ergaben sich jetzt Möglichkeiten der zielgerichteten Anwendung.
In der Chemie werden z.B. Objekte und Strukturen benutzt, die aufgrund ihrer Nanogröße neue Eigenschaften und Merkmale wie Farbe, Schmelz- oder Sintertemperatur, katalytische Aktivität, magnetische Eigenschaften oder Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Wellen erhalten. Aber nicht immer sind es die neuen Eigenschaften eines Materials in der Nanodimension, die für die Wissenschaft interessant sind. Auch lange bekannte Eigenschaften wie z.B. Härtegrad oder elektrische Leitfähigkeit, die bei bestimmten Materialien auch in den entsprechenden Nanopartikeln erhalten bleiben, können durch nasschemische Methoden in Form von ultradünner Schichten auf Werkstoffoberflächen übertragen werden, die so zu völlig neuen Eigenschaften kommen. Die chemische Nanotechnologie besitzt darüber hinaus schon heute vielfältige Möglichkeiten bereits bestehende Produkte zu verbessern. Marktrelevante Anwendungsbereiche sind z.B. Antihaft-Beschichtungen (für Druckwalzen, Küchengeräte), Easy-to-clean-Beschichtungen (für Anti-Graffiti-Anwendungen, Badezimmerverkleidungen, Ventile), hydrophobe Beschichtungen (Rotorblätter von Flugzeugen oder Windkraftanlagen), tribologische Beschichtungen (Lager, bewegliche Maschinenteile), selbstreinigende photokatalytische Beschichtungen (Fenster, Fassaden, Dachziegel, Fahrzeugteile), verbesserte Kratzfestigkeit (Möbel, Fahrzeugteile, Magnetkarten, Brillengläser), photokatalytische Nanopartikel (Luftreinigung, Abwasserreinigung) oder funktionalisierte Nanokomposit-Mikropartikel zur Wasserreinigung.
Die Nanobiotechnologie versteht sich als interdisziplinäre Verbindung von unbelebter und belebter Materie. Dabei geht es vorrangig darum biologische Funktionseinheiten in grundlegender Hinsicht zu verstehen und funktionelle biologische Bausteine unter Verwendung unbelebter Materialien herzustellen. Als praktisches Beispiel gelten Nano-Sensoren, die aufgrund ihrer geringen Größe in der Lage sind kleinste Veränderungen in biologischen Prozessen zu erkennen. So ist es z.B. gelungen einen Marker für die Demenzkrankheit Alzheimer zu identifizieren, der schon im Anfangsstadium der Erkrankung nachgewiesen werden kann. Anhand dieser Anwendung wird auch die interdisziplinäre Ausrichtung der Nanotechnologie deutlich.
Dabei wird auch dem Gesundheitswesen die Entwicklung von vielversprechenden Anwendungen für die Diagnose, Therapie und Prävention vorhergesagt. Die Entwicklung von Nanotechnologie im Gesundheitswesen ist noch im Aufbau begriffen, einige Forschungstrends sind aber schon deutlich. Für die Diagnostik kommen chipbasierte Systeme in Frage, die z.B. bei der Erkennung von Allergie-Dispositionen helfen können. Im Bereich der Therapie wird im Kampf gegen Krebs an einer “intelligenten” Wirkstofffreisetzung und an einer Früherkennung durch erhöhte Sensitivität von in-vitro Analysen geforscht. Für die Prävention können Nanopartikel z.B. zur Kariesprophylaxe eingesetzt werden. Dies sind nur einige Beispiele für eine medizinische Nutzbarkeit der Nanotechnik. Viele weitere Möglichkeiten bieten sich in Form von Effizienzsteigerungen bereits etablierter Verfahren an. Hier können z.B. Kosten und Zeit gespart werden, wenn die Selektivität und Wirksamkeit bekannter Arzneimittel verbessert wird. Zudem wäre auch eine Reduzierung der Nebenwirkungen bestimmter therapeutischer Verfahren denkbar.
Einen besonderen Stellenwert für die Nanotechnologie erwarten Wissenschaftler für den Energiesektor. Die Energieversorgung stellt schon heute eine enorme Herausforderung dar. Traditionelle Versorgungstechniken werden in absehbarer Zukunft nicht mehr Stand der Wissenschaft sein, da bei ihnen fossile Energieträger im Mittelpunkt stehen und diese bekanntlich nicht unendlich zur Verfügung stehen. Der sogenannte “Peak-Oil” ist nach vorsichtigen Schätzungen bereits überschritten, was bedeutet, dass die Hälfte der weltweiten Vorkommen an Erdöl bereits heute verbraucht ist. Bei weiter steigender Nachfrage wird die zweite Hälfte in weit weniger als den 150 Jahren, die der Verbrauch der ersten Hälfte gedauert hat, aufgebraucht sein. Unter Einsatz von Nanotechnologie kann die Energieversorgung nachhaltig gewährleistet werden. Neben der Erhöhung der Effizienz bereits vorhandener Techniken zur Energieumwandlung, die mittelfristig den Verbrauch fossiler Energieträger reduzieren hilft, sorgen langfristig Entwicklungen im Bereich erneuerbare Energien für eine Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit der Energieversorgung. So können nanotechnologische Werkstoffe z.B. bei der Umwandlung der Sonnenenergie (Photovoltaik) entscheidende Effizienzgewinne erzielen und dieser aufstrebenden Form der Erneuerbaren Energien einen deutlichen Wachstumsschub verleihen. Bei diesem Beispiel wäre zugleich ein bedeutsames Problem der Nanotechologie gelöst. Denn gerade die durch Bottom-up-Verfahren erzeugten Nanowerkstoffe sind in ihrer Herstellung sehr aufwendig und daher auch sehr teuer. Durch die Beteiligung der Nanotechnologie an der zukunftsträchtigen Entwicklung der erneuerbaren Energien, erschließt sich ein Massenmarkt, der die Produktion großer Mengen und damit einhergehend eine Reduzierung der Produktionskosten mit sich bringt.
Zu einer Diskussion einer Zukunftstechnologie mit einer solch breiten Anwendungspalette gehört auch eine Risikoabschätzung. Danach gefragte Experten schätzen die Nanotechnologie grundsätzlich als risikoarm ein. Zwar können freie und ungebundene Nanopartikel über die Atemwege in die Lunge und von dort in den Blutkreislauf gelangen und theoretisch aufgrund ihrer geringen Größe sogar die Blut-Hirn-Schranke überwinden. Allerdings ist eine schädliche Wirkung allenfalls möglich, nicht aber zwingend gegeben. Anders als bei der Debatte um die Feinstaubemission ist eine Belastung mit freien ungebundenen Nanopartikel nicht realistisch, da sie lediglich innerhalb der Produktionsverfahren vorkommen und nicht nach außen gelangen. Einmal gebundene Nanopartikel z.B. bei der Oberflächenveredelung lassen sich anschließend nicht mehr entfernen, auch nicht durch mechanische Einwirkung wie Bohren, Sägen oder Schleifen. Die so entstehenden Staubpartikel sind zwingend ungleich größer als Nanopartikel. Ein Abrieb solcher Oberflächen mit einer Nanopartikel-Kontaminierung ist demnach nicht zu befürchten. Eine gesundheitliche Beeinträchtigung wäre nur für Mitarbeiter der verarbeitenden Betriebe und für die Forscher möglich. Erfreulicherweise ist eine risikobewertende Debatte schon während der Entstehung der Nanotechnologie in Gang gesetzt worden, aus deren Ergebnissen eine Vielzahl von Initiativen hervorgegangen sind, die sich um einen weitsichtigen Arbeitsschutz bemühen und daran arbeiten toxikologische, arbeitsmedizinische und ökologische Unsicherheiten zu beseitigen.
Die Nanotechnologie ist nicht nur aufgrund ihrer Vielzahl an Produkten eine Zukunftstechnologie. In Deutschland arbeiten heute schon 50.000 bis 100.000 Menschen direkt oder indirekt für eines der etwa 450 Nanotechnologieunternehmen. Experten erwarten einen Zuwachs der Beschäftigtenzahl um mehrere zehntausend. Gleichzeitig wird die Zahl der für die Nanotechnologie arbeitenden Unternehmen ansteigen. Experten gehen davon aus, dass 2015 alle Industriezweige in irgendeiner Art und Weise mit nanotechnologischen Verfahren arbeiten. Weltweit nimmt Deutschland bei der Forschung den zweiten Platz hinter den USA ein. Bei der Umsetzung in marktfähige Produkte und Anwendungen liegt Deutschland hinten den USA und Japan auf Platz 3. Diese Positionierung kann nur gehalten bzw. verbessert werden, wenn eine interdisziplinäre Zusammenarbeit aller involvierten Wissenschaften eine faktische Grundlage schafft, um die Notwendigkeit einer politischen Einflussnahme im Sinne einer nanotechnologiespezifischen Regulierung durch Förderprogramme zu verdeutlichen. Gleichzeitig sollten gesellschaftliche Unsicherheiten aus der Nanotechnologie heraus erklärend widerlegt werden, um insgesamt langfristig eine positive Einstellung zur Nanotechnologie zu etablieren.
