Nanoteilchen sind winzige Partikel, die mit dem bloßen Auge nicht erkennbar sind. Nanotechnologie wird bei zahlreichen alltäglichen Produkten angewendet. Beispiele sind Farben, Lebensmittel und auch Zahnpasta.
Nanoteilchen – Definition
Nanoteilchen oder auch Nanopartikel bezeichnen in der Chemie einen Zusammenschluss aus mehreren bis tausenden Atomen oder Molekülen, deren Größe im Nanometer-Bereich liegt. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter, oder 10-9 m.
Der Wortteil “Nano” von Nanoteilchen kommt aus der griechischen Sprache und bedeutet “Zwerg” oder “zwergenhaft”. Daher lässt sich die Größenordnung der Teilchen von dem Wort “Nano” ableiten, denn Nanoteilchen haben in der Regel eine Größe von etwa 1 bis 100 Nanometern.
Nanoteilchen – Eigenschaften
Die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Nanoteilchen, wie beispielsweise Siliciumdioxid, unterscheiden sich von den Eigenschaften, die Festkörper oder Partikel in einem höheren Größenbereich besitzen. Zunächst aber kommen wir auf das Thema Oberflächen-Volumen-Verhältnis bei Nanopartikeln. Dieses bildet die Grundlage für das Verständnis von Nanoteilchen.
Oberflächen-Volumen-Verhältnis von Nanoteilchen
Durch die geringe Größe im Bereich weniger Nanometer verändert sich das Oberflächen-Volumen-Verhältnis der Nanopartikel. Beim Vergleich der Nanoteilchen mit Partikeln aus dem mikro- und makroskopischen Größenbereich ist zu beobachten, dass Nanoteilchen eine größere Oberfläche im Verhältnis zum Volumen besitzen.
Weitere Eigenschaften von Nanoteilchen
Nun haben Nanoteilchen eine größere Oberfläche im Verhältnis zum Volumen. Dies führt zu einer hohen chemischen Reaktionsfreudigkeit.
Thermodynamische Effekte, wie die Brownsche Molekularbewegung und die Ladung der Oberfläche, nehmen eine wichtige Rolle bei Nanoteilchen ein. Aufgrund der geringen Größe nimmt die Bedeutung der Oberflächenladung bei Nanopartikeln zu. Elektrostatische Kräfte, wie z. B. Van-der-Waals-Kräfte, haben geringe Radien, in denen sie wirken. Nanopartikel haben jedoch solch eine geringe Größe, dass hier die elektrostatischen Kräfte einen größeren Einfluss haben.
Diese Oberflächenladung in Kombination mit der hohen Reaktionsfreudigkeit der Nanopartikel sorgt für eine kurze Haltbarkeit.
Die Brownsche Molekularbewegung beschreibt die von Wärme abhängige Bewegung von Teilchen. Diese ist ungleichmäßig und tritt bei Molekülen sowie kleinen Teilchen auf. Sie bildet die Triebkraft der Diffusion.
Nanoteilchen sind relativ instabil, da sie eine hohe Tendenz zur Agglomeration haben. Diese Aggregation kommt zustande, da Nanopartikel so ihre großen Oberflächenladungen ausgleichen können.
Eine Agglomeration bezeichnet einen Zusammenschluss von mehreren Atomen, Ionen, Molekülen oder Kolloidteilchen. Unterschiedliche Kräfte halten die Teilchen in diesem Zusammenschluss fest.
Massenkräfte, wie etwa die Gewichtskraft, beeinflussen Nanopartikel nur gering. Einige Nanopartikel weisen auch besondere optische Eigenschaften auf. So rufen Nanoteilchen aus Titandioxid in Sonnencremes den UV-Schutz hervor, da sie UV-Licht reflektieren. Auch auf Schokoriegeln kannst Du Nanopartikel finden. Dort bewirken sie eine höhere UV-Beständigkeit.
Nanoteilchen – Herstellung
Es gibt mehrere Methoden zur Herstellung von Nanoteilchen. Die Herstellungsverfahren von Nanomaterialien lassen sich in Top-Down- und Bottom-Up-Verfahren unterteilen.
Top-Down-Verfahren
Das Top-Down-Verfahren beschreibt eine Herstellungsweise, bei der Nanoteilchen aus größeren Objekten erzeugt werden. Das bedeutet, ein ursprüngliches Material wird in kleinere Stücke zerteilt und Nanopartikel formen sich.
Ein Beispiel sind Mahlprozesse, welche den physikalisch-mechanischen Verfahren zugeordnet werden. Für dieses Verfahren werden die Ausgangsstoffe, die meist aus Metall oder Keramik bestehen, in sogenannten Hochenergie-Kugelmühlen verarbeitet. Durch Einsatz der Mahlkörper in den Mühlen kommt es zu einer Pulverisierung der Materialien. Durch Zerkleinerung der Ausgangsstoffe entstehen Nanopartikel. Bei diesem Herstellungsverfahren ist die Verteilung der Partikelgröße relativ groß.
Bottom-Up-Verfahren
Das Bottom-Up-Verfahren erzeugt Nanoteilchen, indem einzelne Atome oder Moleküle verbunden werden. Es existieren verschiedene Möglichkeiten eines Bottom-Up-Verfahrens.
Eine Variante ist die chemische Synthese von Nanopartikeln. Dabei reagieren Edelmetallsalze mit anderen Chemikalien. In einigen Fällen wird das Gemisch auch belichtet. Infolgedessen aggregieren die Atome des Metalls zu Nanoteilchen. Die Verteilung der Größe und der Form von Nanopartikeln kann schlecht gesteuert werden.
Nanoteilchen Verwendung in Gebrauchsgütern
Ein Verwendungsbereich von Nanomaterialien ist der Kosmetikbereich. Nanoteilchen werden dort verschiedenen Produkten, wie Cremes oder Zahnpasten, zugesetzt. Beispiele sind Titandioxid oder Aluminiumoxid.
Zudem befinden sich Nanomaterialien als Zusatzstoffe in Lebensmitteln. Nanopartikel, wie Siliciumdioxid, sind in Lebensmitteln enthalten, um dort das Verdicken zu verhindern. Als sogenannte Rieselhilfe wird Siliciumdioxid in Salz und Gewürzen eingesetzt. Weitere Nanopartikel sind Aluminiumsilikat zum Unterbinden eines Verklumpens und Titandioxid, was für eine hellere Farbe sorgt.
Abbildung 1: Siliciumdioxid wird beispielsweise in Salz eingesetzt, um es rieselfähig zu machenQuelle: pixabay.com
In Textilien werden ebenfalls Nanomaterialien verwendet. Dort wird die Nanotechnologie genutzt, um Kleidungsstücke mit bestimmten Eigenschaften zu produzieren.
Ein bekanntes Beispiel für den Einsatz bei Textilien ist der sogenannte Lotuseffekt von Jacken. Durch eine Schicht aus Siloxanen oder Silanen in der Nano-Größenordnung entsteht eine wasserabweisende Wirkung. Des Weiteren sorgt die Nanotechnologie für Schmutz abweisende, antibakterielle oder UV-schützende Effekte.
Abbildung 2: Durch Nanoteilchen ist der sogenannte Lotuseffekt auf Textilien möglichQuelle: pixabay.com
Nanoteilchen Verwendung in der Medizin
Durch Nanotechnologie ist es möglich, dass Wirkstoffe von Medikamenten von einer bestimmten Art von Gewebe aufgenommen werden. Spezielle Moleküle werden auf die Oberfläche der Wirkstoffe platziert. Somit erfolgt die Aufnahme von diesen beschichteten Wirkstoffen nur von einem bestimmten Gewebe im Körper. Nur hier existieren Rezeptoren für die Moleküle.
Ein weiterer Verwendungsbereich der Nanotechnologie ist die Krebstherapie. Die hier eingesetzten Nanopartikel bestehen aus Eisenoxid. Diese Nanoteilchen dienen dazu, Krebszellen zu finden und zu zerstören.
Die Nanotechnologie kann ebenso bei Implantaten verwendet werden. Dafür werden auf den Implantaten Nanoteilchen aufgetragen. Diese Schicht aus Nanopartikeln sorgt dafür, dass das synthetische Material nicht vom Körper abgestoßen wird.
Weitere Verwendungsbereiche Nanoteilchen
Nanotechnologie findest Du unter anderem noch in folgenden Bereichen und Produkten:
- Verpackungsmaterial und Kunststoffe
- Elektronik
- Metallindustrie
- Mittel zum Imprägnieren
- Reinigungsmittel
- Farben und Lacke.
Nanoteilchen im Körper
Nanomaterialien sind in vielen alltäglichen Produkten enthalten. Es besteht jedoch der Verdacht, dass Nanopartikel gesundheitliche Risiken für den Menschen bergen.
Es wird vermutet, dass Titandioxid für den Menschen giftig ist. Grund könnte seine Fähigkeit zu verklumpen und die geringe Größe sein. Dies ist noch nicht ausreichend untersucht.
Der Mensch kann Nanopartikel aufgrund deren geringer Größe aufnehmen. Die Nanopartikel gelangen dabei durch die Haut, die Atemwege oder den Magen-Darm-Trakt in den Körper. Anschließend können die Nanoteilchen in die Blutbahn gelangen und sich im Körper verteilen.
Nanopartikel können im menschlichen Organismus Krankheiten hervorrufen und den Körper schädigen. Mit diesem relativ neuen Forschungsthema beschäftigt sich die Toxikologie sowie Ökotoxikologie.
Nanoteilchen und Umwelt
Mit zunehmendem Bekanntheitsgrad und Einsatz von Nanotechnologie befassen sich immer mehr Studien mit den Auswirkungen von Nanoteilchen auf die Umwelt und das Ökosystem. Diese Studien untersuchen derzeit, ob und welche Risiken von Nanopartikeln ausgehen.
Ein abschließendes Ergebnis gibt es derzeit nicht. Trotzdem besteht der Verdacht, dass Nanopartikel durch Auswaschen in die Umwelt gelangen können und dort Effekte auf das Ökosystem möglich sind. Auf diesem Forschungsgebiet besteht noch zusätzlicher Untersuchungsbedarf.
Nanoteilchen – Das Wichtigste
- Nanoteilchen sind Zusammenschlüsse, die aus mehreren bis tausenden Atomen oder Molekülen bestehen und im Nanometer-Bereich liegen.
- Die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Nanopartikeln unterscheiden sich von den Eigenschaften, die Festkörper oder größere Partikel besitzen.
- Im Vergleich zu mikro- und makroskopischen Partikeln haben Nanoteilchen eine größere Oberfläche im Verhältnis zum Volumen, was zu einer höheren Reaktionsfreudigkeit führt.
- Aufgrund der geringen Größe spielt die Oberflächenladung bei Nanoteilchen eine größere Rolle als bei größeren Partikeln oder Feststoffen.
- Nanoteilchen können mithilfe des Top-Down- oder Bottom-Up-Verfahrens hergestellt werden.
- Nanomaterialien befinden sich in Kosmetikprodukten, in Lebensmitteln und in Textilien.
- Nanoteilchen können aus der Umwelt in den menschlichen Körper gelangen und dort Schaden zufügen, sowie Krankheiten auslösen.
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