Nanotechnologie

Der Sammelbegriff Nanotechnologie, oft auch Nanotechnik (altgriechisch νᾶνος nános ‚Zwerg‘), gründet auf der allen Nano-Forschungsgebieten zu Grunde liegenden gleichen Größenordnung der Nanopartikel vom Einzel-Atom 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. Die Vermutung ist, dass in dieser Größe Quanteneffekte ausschlaggebend sind.

In Nanopartikeln sind relativ wenige Atome agglomeriert, womit sich die Zahl an Elektronen gegenüber größeren Objekten desselben Materials signifikant verkleinert. Typischerweise vergrößert sich der Abstand zwischen den einzelnen Energieniveaus und die Annahme eines quasi kontinuierlichen Energiespektrums (wie z. B. bei der Bandtheorie im Festkörper) ist keine gute Näherung mehr. Darauf beruht u. a. der Volumeneffekt, auf dem wiederum viele vom normalen Material abweichende Eigenschaften beruhen wie Löslichkeit, Farbe, Transparenz und Leitfähigkeit. Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die durch den Volumeneffekt hervorgerufene Schmelzpunkterniedrigung mit abnehmenden Partikelradius.^[1]

Weiterhin wird die Aufnahme in den Körper und die Mobilität in Organismen bei kleineren Partikeln erhöht, was zur Folge haben kann, dass die Blut-Hirn-Schranke überwunden werden kann. Auch können Nanopartikel von der Lunge in die Blutbahn gelangen.^[2]

Mit dem Begriff wird heute die entsprechende Forschung in der Cluster-, Halbleiter- und Oberflächenphysik, der Oberflächen- und anderen Gebieten der Chemie sowie in Teilbereichen des Maschinenbaus und der Lebensmitteltechnologie (Nano-Food) bezeichnet.

Schon heute spielen Nanomaterialien eine wichtige Rolle. Sie werden zumeist auf chemischem Wege oder mittels mechanischer Methoden hergestellt. 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 wird in der wissenschaftlichen und forschungspolitischen Praxis nicht einheitlich gesehen. Unklar und unerforscht sind in vielen Bereichen die Wirkungen und der Einfluss der meist künstlich hergestellten Teilchen auf die Umwelt.

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 folgt in der Nanotechnologie oft dem entgegengesetzten Ansatz: bottom-up. Chemiker, die üblicherweise in molekularen, d. h. Sub-Nanometer-Dimensionen arbeiten, bauen aus einer Vielzahl von einzelnen Moleküleinheiten größere nanoskalige Molekülverbunde auf. Ein Beispiel dazu sind Dendrimere.

Ein kleiner Zweig der Nanotechnologie beschäftigt sich mit Nanomaschinen (siehe molekulare Maschine) oder Nanobots.

1. ↑ Nanopartikel – Materialien der Zukunft? Uni Siegen, abgerufen am 6. März 2024. 
2. ↑ Partikel mit besonderen Eigenschaften. In: Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz. Abgerufen am 19. Januar 2023.