Nanotechnologie

Alles Nano, oder was?

Sabine Edith Braun | aus HEUREKA 2/10 vom 19.05.2010

Was ein iPod nano ist, weiß jedes Kind. Die Erklärung der Nanotechnologie ist schon komplizierter. „Die“ Nano-Wissenschaft gibt es nicht – aber zahlreiche Gebiete, auf denen Nanotechnologie zum Einsatz kommt.

„Nano“ kommt aus dem Griechischen und heißt so viel wie Zwerg. „Es ist eine Größendefinition für alles, was zwischen 1 und 100 Nanometer groß ist. Die Eigenschaften eines Materials in dieser Größe sind andere als bei, normaler‘ Größe“, erklärt Thilo Hofmann, Vorstand des Departments für Umweltgeowissenschaften der Universität Wien.

Von allen Eigenschaften der Nanopartikel steche vor allem ihre Reaktivität heraus. Neben künstlichen gibt es auch natürliche Nanopartikel (Kolloide), die meist harmlos sind. Schädlich an natürlichen Partikeln ist meist das, was an ihnen „klebt“, etwa krebserregende Aromaten im Ruß.

„Natürliche Nanopartikel gibt es, seit es die Erde gibt – in Gewässern oder in der Luft. Durch Untersuchungen an natürlichen Stoffen haben wir Messtechniken entwickelt, die wir auch bei künstlichen Nanopartikeln anwenden können, etwa bei Silber“, sagt Hofmann.

Silber wird – da es Bakterien tötet – als Geruchskiller in Sporttextilien verarbeitet („Nano-Silver-Socks“). Doch was an den Füßen hilfreich scheint, ist in Flüssen gefährlich: Durch den Waschvorgang landet Silber als Schadstoff im Ökosystem und tötet Organismen. Derzeit arbeitet Hofmann an dem mit vier Millionen Euro dotierten EU-Forschungsprojekt NANOLYSE. Österreich verfügt über das zweitgrößte Budget dieses Projektes. Erforscht werden Methoden, künstliche Nanopartikel in Lebensmitteln aufzuspüren.

Warum bearbeiten das nicht Lebensmittelchemiker? „Wir haben die Technik und das Know-how, Nano-partikel in komplizierten Medien zu messen“, sagt Hofmann. Natürliche Nanopartikel im Essen sind etwa das Fett in der Milch oder die Schwärze im Kaffee.

Die Industrie arbeitet an künstlichen Stoffen, die, dem Essen beigemengt, dem Verbraucher einen „Mehrwert“ suggerieren sollen. Als Beispiele nennt Hofmann den Schokoriegel mit Nanoüberzug, der noch länger haltbar ist, oder das Joghurt mit in Nanopartikeln eingekapselten Vitaminen, die vom Körper besser aufgenommen werden.

Diese Produkte sind zwar noch nicht erhältlich, aber es wird sie in absehbarer Zeit geben.

Auch Karl Unterrainer beschäftigt sich mit Nanotechnologie. Der Leiter des Instituts für Photonik an der TU Wien sieht sich weniger als Nanowissenschaftler denn als Photoniker, der angewandte Quantenmechanik betreibt. Das Besondere an Nano ist für ihn, dass es neue Funktionalitäten ermöglicht. „Wir machen die Sachen klein, und plötzlich leuchten sie bei Wellenlängen, wo man es vorher nicht erwartet hat!“

Der Zug zum Zwerg kam ursprünglich aus der Elektronikindustrie der 60er Jahre. Damals entstanden integrierte Schaltkreise. Je kleiner ein Transistor, umso höher die Packungsdichte je Mikrochip. „Alle 1,8 Jahre verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip.“ Aber das, sagt Unterrainer, sei mittlerweile ein „alter Hut“. Schließlich wird der Laser heuer fünfzig.

Für Unterrainer stehen die neuen Funktionalitäten im Vordergrund: Es gibt Wellenlängen, die man mit herkömmlichen Lasern noch nicht herstellen kann. Dieser Bereich heißt Tera-Hertz-Gap, das ist der Bereich zwischen 0,3 und 20 THz auf dem elektromagnetischen Spektrum. „Dass diese Strukturen nur 20 Nanometer groß sind, ist zwar sehr schön, aber uns interessiert ihre Funktionalität.“

Man nützt Quanteneffekte in den Nanostrukturen, um künstliche Atome zu generieren. „Die Elektronen der künstlich generierten Atome senden Photonen aus bei Wellenlängen, die es vorher nicht gab. Die Photonen wiederum senden Energie aus.“ Für die chemische Analytik können Na-nostrukturen als Detektor wie auch als Laserquelle fungieren.

Unterrainer ist Sprecher des Forschungsprojekts IR-ON (Infrared Optical Nanostructures), das sich derzeit in der 2. Phase befindet. Erforscht werden optische Nanostrukturen, die bestimmte, nur im infraroten Spektralbereich (Wellenlängen von 2 bis 20 Mikrometer) aufspürbare chemische Verbindungen (Drogen, Sprengstoffe, andere Problemstoffe) entdecken können.

Beteiligt sind mehrere Gruppen an der TU Wien, die Uni Wien sowie die Unis Linz, Graz, Jena, Regensburg und München. Geforscht wird mittels großer Lasersysteme in einem sogenannten Reinraum, einem staubfreien Raum mit leichtem Überdruck, in den nur gefilterte Luft darf. „Wir haben Reinraumklasse 1000 – das heißt, auf einen Kubikfuß darf es nicht mehr als 1000 Staubpartikel geben.“ Staubpartikel würden Nanostrukturen überdecken und in ihrer Funktion einschränken.

Der Oberösterreicher Georg Garnweitner forscht am Institut für Partikeltechnik der TU Braunschweig. Seit drei Jahren hat er eine Juniorprofessur inne (sie gibt es in dieser Form in Österreich nicht). An Nano fasziniert ihn vor allem die Interdisziplinarität.

Er selbst ist der chemischen Forschung zugehörig: „Aufgrund unserer stark chemisch ausgerichteten Arbeitsweise würde ich mich eher als Materialchemiker, vielleicht noch als Nano-Chemiker bezeichnen.“

Garnweitner und sein Team stellen Nanopartikel im Labor her. „Wir arbeiten an der Weiterentwicklung einer chemischen Herstellmethode von Nanopartikeln, die sehr vielseitig ist. Derzeit erproben wir die Herstellung auch in größeren Maßstäben – im Liter- statt nur im Milliliter-Maßstab – und erschließen neue Anwendungen für diese Nanopartikel, vor allem auf dem Gebiet der Nanodünnschichten oder der nanoverstärkten Materialien. Damit kann man zum Beispiel extrem dünne, aber leistungsfähige Kondensatoren herstellen.“

Sein Studium der Technischen Chemie absolvierte er an der TU Wien, die Diplomarbeit schrieb er in den USA. Promoviert hat er am Max-Planck-Institut in Potsdam.

„Dort gab es hervorragende Bedingungen: Da Messgeräte unmittelbar zur Verfügung standen und durch Techniker sehr gut betreut waren, konnte ich mich sehr stark auf die Forschung konzentrieren. Das sind Bedingungen, die man an einer Universität so nicht hat. Daher bin ich nach Potsdam gegangen – und habe nach einem Jahr Post-Doc-Erfahrung die Möglichkeit bekommen, in Braunschweig als Juniorprofessor eigenständig Forschung zu betreiben, was mich von Anfang an sehr gereizt hat.“

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