„Et jeht, et jeht!” Wenn dieser begeisterte Ruf durchs Labor schallte, wussten die Mitarbeiter des Chemikers Harry Kloepfer, dass er etwas Neues erfunden hatte. Der technische Geschäftsführer der Rußwerke Dortmund war bekannt als großer Experimentator, der Verwaltungsaufgaben hasste. Im Jahr 1942 war es wieder einmal so weit: Kloepfer und seinem Team gelang es, „ weißen Ruß” herzustellen, ein Pulver aus feinsten Kieselsäure-Partikeln. Unter dem Markennamen „Aerosil” gehört das Produkt heute zu den wichtigsten Nanomaterialien. Man findet es in tausenden von Dingen des täglichen Lebens, vom Autoreifen bis zur Zahnpasta.
Während Utopisten wie Ralph C. Merkle, „theoretischer Nanotechnologiker” bei dem US-Unternehmen Zyvex, über Nanoroboter fantasieren, die in ferner Zukunft durch den menschlichen Körper schwimmen und die Adern reinigen, oder sich den Kopf über die Gefahr von Nanowaffen zerbrechen, findet schon heute ohne großes Aufsehen eine Revolution im Bereich der Nanotechnik statt: Ihre Basis sind nicht komplizierte Zahnräder und Turbinen im Nanoformat, sondern ist ganz gewöhnliches Pulver.
Feinster Staub – Nanopulver genannt – ist die Grundlage für neue Produkte und Verfahren. Die BASF beispielsweise verkauft schon heute Nanomaterialien für rund eine Milliarde Euro im Jahr. Die Wachstumsraten der Märkte für nanoskalige Pulver liegen im zweistelligen Bereich. So will man bei dem Frankfurter Technologie- und Chemiekonzern „mg technologies” den Umsatz mit Nanoprodukten von 20 Millionen Euro im Jahr 2001 innerhalb der nächsten zwei Jahre verdoppeln. Transparente Keramiken, lichtstarke Flachbildschirme, elektrisch leitende, durchsichtige Folien oder schmutzabweisende Lacke sollen daraus entstehen. So macht in jüngster Zeit auch das Aerosil eine zweite Karriere, von der sein Erfinder Kloepfer nichts ahnen konnte: Das weiße Pulver aus Partikeln mit Nano-Durchmesser dient nicht nur als Ausgangsprodukt für neue Werkstoffe, sondern soll auch fremde Branchen erobern – etwa die Medizin, wo es bei der Krebsbekämpfung helfen könnte.
Immer feiner werden die Sonden, mit denen Wissenschaftler die Materie erkunden, immer kleiner ihre Objekte. Dass die Nanotechnologie gerade heute Hochkonjunktur hat, liegt daran, dass sich die Forschung dem Phänomen auf zwei Wegen annähert: „ top-down” ebenso wie „bottom-up”. „Chemiker können jetzt große Moleküle herstellen, die bis hinauf in Nanodimensionen reichen”, erklärt Markus Pridöhl vom Degussa-Projekthaus Nanomaterialien. „ Gleichzeitig sind Physiker heute in der Lage, derart kleine Partikel und ihr Verhalten genau zu untersuchen.” Nanoteilchen enthalten in der Regel nur wenige hundert Atome oder Moleküle und sind damit nur ein Tausendstel so klein wie eine lebende Zelle. „ Die Evolution brauchte Milliarden Jahre, um von den kleinsten Strukturen bis zu makroskopischen Systemen wie dem Menschen zu gelangen. Wir benötigen nun wieder Jahrzehnte, um zurück zum Allerkleinsten zu kommen”, beschreibt Fritz Prinz von der Universität Stanford in Kalifornien den mühsamen Weg der Annäherung zwischen Bio- und Materialwissenschaften. Am Ende könnten winzige Nanomaschinen stehen, die auf der Ebene von Atomen und Molekülen arbeiten, Quantencomputer und selbstheilende, intelligente Oberflächenbeschichtungen.
Nanopulver sind ein erster Schritt heraus aus der Utopie, hin zur konkreten industriellen Anwendung. Sie bestehen aus extrem feinen Körnchen, die unterschiedliche Formen haben: Kugeln, Nadeln, Kristalle oder Röhrchen. Diese können sich zusammenballen wie Eiskristalle zu Schneeflocken und so beliebig große Brösel bilden, die die Wissenschaftler Agglomerate nennen. Das Besondere: Bei den Winzlingen ist nicht mehr nur die chemische Zusammensetzung, sondern sind auch die Größe und Form der einzelnen Körnchen verantwortlich für die Eigenschaften des Materials.
So eröffnen sich den Forschern völlig neue Nanowelten. Materialien ändern beim Verkleinern oft sprunghaft, sobald die Gesetze der Quantenmechanik an Einfluss gewinnen, ihr mechanisches, optisches und elektronisches Verhalten. Außerdem nimmt die Oberfläche bei der feinen Verteilung so stark zu, dass sie die Eigenschaften bestimmt. Ein Löffel voll Aerosil hat beispielsweise eine Oberfläche von der Größe eines Fußballplatzes. Härte, Zähigkeit oder Schmelzpunkt von Nanomaterialien unterscheiden sich meist markant von den Eigenschaften der entsprechenden makroskopischen Festkörper. Das ist ein faszinierendes Forschungsgebiet, aber die Untersuchung dieser Effekte steht erst ganz am Anfang. Mit viel Geld unterstützen die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und das Bundesforschungsministerium (BMBF) verschiedene Schwerpunktprogramme zur Nanotechnologie. Seit 1993 hat das BMBF rund 40 Millionen Euro in die Förderung der Nanomaterialien gesteckt.
Von Harry Kloepfer weiß man, wie es geht: In einem so genannten Gasphasenreaktor wird in eine rund 1000 Grad Celsius heiße Knallgasflamme – wie man sie aus Raketentriebwerken kennt – Siliziumtetrachlorid gesprüht. Dieses zersetzt sich mit Wasser zu Siliziumoxid plus Salzsäure, die sich anschließend herauswaschen lässt. Der gesamte Prozess ist Routine für die Industriechemiker, denn in einem ganz ähnlichen Verfahren werden seit Jahrzehnten Millionen Tonnen von Ruß vor allem für die Produktion von Autoreifen und als Druckfarbe hergestellt. Der schwarze Grundstoff ist sozusagen der Vater aller Nanomaterialien.
Es gibt eine Reihe von „Knöpfen”, an denen der Verfahrenstechniker drehen kann, um das Endprodukt zu beeinflussen: die Zusammensetzung und Konzentration der Reaktionspartner, die Temperatur der Flamme und vor allem die Aufenthaltszeit des Produkts im Verbrennungsraum. Durch geschickte Kombination dieser Parameter kann man die Größe der Teilchen, ihre Gleichmäßigkeit, ihre Form und Oberfläche in weiten Grenzen einstellen. Je länger etwa die Partikel in der heißen Flamme bleiben, desto stärker backen sie zusammen. Die Folge ist, dass die erzeugten Nanoteilchen immer größer werden. Bricht man aber den Prozess durch plötzliche Abkühlung ab, bleiben die Partikel klein.
So genau sind mittlerweile die Vorgänge im Reaktor bekannt, dass man sie am Computer simulieren kann. Die Degussa-Forscher benutzen derartige Simulationen, um die nötigen Bedingungen vorher zu berechnen und nach diesen Vorgaben dann maßgeschneiderte „Zauberpulver” herzustellen – und zwar aus verschiedenen Materialien, etwa aus feinstem Zink- oder Titanoxid, Aluminium-, Zirkon- und Indiumoxid. Sogar Kombinationen aus verschiedenen Substanzen gelingen, wenn man die Komponenten intelligent mixt.
Kompositionen aus mehreren Werkstoffen sind wie in der ganzen Materialwissenschaft auch im Nanobereich der Renner. So schaffte es etwa ein Degussa-Forscherteam um Björn Borup, Nanopartikel aus Siliziumdioxid in Lacke so einzubauen, dass diese extrem kratzfest wurden. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Oberflächenmodifizierung in Leipzig vereinigten die Wissenschaftler zwei gegenläufige Effekte: Ein hoher Anteil an Aerosil verbessert zwar die Kratzfestigkeit des Lackes, macht ihn aber normalerweise so dickflüssig, dass man ihn nicht mehr verarbeiten kann.
Mit einem Kniff lösten die Forscher das Problem: Sie umhüllten die Nanopartikel direkt im Bindemittel mit einer dicken weichen Schicht aus organischen Silanen. So entstehen Nanokapseln mit einem sehr harten Kern und einer weichen Schale. Das Ergebnis ist ein durchsichtiger Hybridlack, der zehnmal kratz- und abriebfester ist als herkömmliche Acryllacke. „Er vereint die positiven Eigenschaften anorganischer Materialien wie mechanische Stabilität, Haltbarkeit und UV-Resistenz mit den Vorteilen organischer Polymere wie Elastizität und Vernetzbarkeit”, schwärmt Björn Borup.
Zunächst soll der Superlack in Wohnräumen zur Anwendung kommen: für Parkette oder zur Beschichtung von Möbeln und Folien. Mittelfristig wird der kratzfeste Lack sicher auf Autokarosserien zu finden sein. Das kratzfeste Auto – ein alter Traum könnte wahr werden.
Trickreich ist auch eine Kombination aus Aerosil außen und Eisenoxid innen: Das Pulver ist magnetisierbar. Man kann damit Stellglieder bestücken, die sich im Magnetfeld verformen, oder Oberflächen von Halbleiter-Wafern für die Mikroelektronik-Fertigung fein polieren. Setzt man die Kombi-Teilchen einem magnetischen Wechselfeld aus, versuchen sie sich an diesem auszurichten und schwingen schnell hin und her. Durch die Reibungswärme wird das Material lokal heißer, so dass sich chemische Reaktionen von außen starten lassen.
Auf solche Nanopartikel setzen vor allem Mediziner große Hoffnungen, denn mit den Magnetteilchen kann man Tumore lokal überhitzen und damit zerstören. An der Charité in Berlin hat der Krebsforscher Andreas Jordan ein Verfahren entwickelt, bei dem er eine besonders schnell wachsende Art von Hirntumoren mit magnetischen Nanoteilchen impft. Die Eisenoxid-Partikel, die von Zuckermolekülen umhüllt sind, wurden am Institut für Neue Materialien (INM) in Saarbrücken hergestellt. Wenn der Tumor sich mit ihnen gefüllt hat, legt Jordan von außen ein magnetisches Wechselfeld an, das die Nanomagnete zum Schwingen bringt. Das Gewebe erhitzt sich dort auf 45 bis 47 Grad Celsius, die Zellen gehen zugrunde. Nach dem Ende der Krebsbehandlung baut das körpereigene Immunsystem die Flüssigkeit mit den abgestorbenen Zellen und den Eisenteilchen wieder ab. Tierversuche an Mäusen sind bereits erfolgreich verlaufen, nun soll das Verfahren am Menschen erprobt werden.
Egal, aus welchem Material sie bestehen und welchem Zweck sie dienen, eine Eigenschaft haben alle Nanopartikel gemeinsam: Sie sind so klein, dass sie für das menschliche Auge unsichtbar sind, denn die Wellenlänge des Lichts ist zu groß, um sie noch zu erfassen. Genau dies aber ist ein Vorzug, der sie gerade in Zeiten des schrumpfenden Ozonlochs für eine wichtige Anwendung geeignet macht: Winzige Teilchen aus Titandioxid oder Zinkoxid schützen unsichtbar vor UV-Strahlung und sind deshalb als Zutat zu Sonnenschutzcremes oder Lacken für Fassaden oder Möbel ideal.
„In der Nanoform schützen die Substanzen besonders wirkungsvoll vor ultraviolettem Licht”, sagt Dr. Wolf-Dieter Griebler, Geschäftsführer von Sachtleben Chemie, einer Tochter von mg technologies und ein traditioneller Hersteller von Titandioxid. Bisher wurde dieses vor allem als Pigment für weiße Farben produziert – mit Partikelgrößen von 100 bis 500 Nanometern. In einer speziellen Anlage in Duisburg produziert Sachtleben Chemie seit einigen Jahren außerdem nanoskaliges Titandioxid-Pulver, dessen Partikel nur etwa 30 bis 40 Nanometer klein sind – und das beispielsweise Sonnenschutzcremes als UV-Filter beigemischt wird. „Weil die Größe der Nanopartikel etwa der halben Wellenlänge des UV-Lichts entspricht, absorbieren sie dieses fast vollständig”, erklärt Griebler. Ein Vorteil gegenüber den bisher verwendeten organischen Präparaten: Die Nanopartikel wirken nur an der Hautoberfläche und dringen nicht durch die Haut in den Körper ein.
Weitere Anwendungen des nanofeinen Titandioxids: Als Additiv in Klarsichtfolien verhindert es, dass Früchte durch UV-Licht einen „Sonnenbrand” in Form schwarzer Flecken bekommen. Und Lacke mit Nanopulver werden auf Autos und Handy-Gehäusen zum so genannten Color-Styling verwendet: Je nach Lichteinfall schillert der Lack in unterschiedlichen Farbtönen. Es sind wohl solche kleinen, eher unspektakulären Dinge, die der Nanotechnik zum Durchbruch verhelfen werden.
Brigitte Röthlein
