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Wenn Atome greifbar werden
Die Nanotechnologie boomt. Der Umgang mit winzigsten Teilen fasziniert und eröffnet ganz neue Möglichkeiten – nicht ohne Risiko.
Carole Huber
Warum werden Lotusblüten nie schmutzig? Wie kann ein Gecko sich an aalglatten Wänden und Decken halten, ohne hinunterzufallen? Was macht das Holz so verblüffend
bruchfest? Schon lange untersuchen Wissenschaftler Materialien und Mechanismen der Natur, um sie nachzubauen und für eigene Konstruktionen nutzbar zu machen. Viele dieser Eigenschaften waren aber noch bis vor wenigen Jahren dem Menschen nicht zugänglich.
Mit der Erfindung des Rastertunnelmikroskops im Jahr 1981 begann eine neue Ära in der Materialforschung. Dieses Gerät tastet mit einer ultrafeinen Spitze die Oberfläche eines Materials ab, «erfühlt» dabei die Atome und macht sie über einen Bildschirm dreidimensional sichtbar. Das Revolutionäre: Heute kann man die Atome und Moleküle nicht nur optisch erkennen, sondern auch analysieren, bewegen und gezielt neu kombinieren. Mit solchen winzigsten Partikeln beschäftigt sich die Nanotechnologie – eine Querschnittdisziplin aus Physik, Chemie und Biologie. Nano ist griechisch und bedeutet Zwerg. Als Längenmass ist der Nanometer ein Milliardstel Meter. Zum Vergleich: Eine menschliche Wimper müsste man etwa 80 000 Mal spalten, bis sie einen Nanometer dünn wäre.
Interessant sind Nanopartikel vor allem deshalb, weil sie andere Eigenschaften aufweisen als ihr Ausgangsmaterial. Durch das Verkleinern der Stoffe nimmt ihre Oberfläche im Verhältnis zum Volumen stark zu, weshalb sie chemisch besonders gut reagieren.
„Optische, elektrische und magnetische Eigenschaften, aber auch Härte, Zähigkeit oder Schmelzpunkt von Nanomaterialien unterscheiden sich deutlich von den Eigenschaften der makroskopischen Festkörper», erklärt Prof. Dr. Wolfgang Leuchtenberger von der Firma Degussa, die bereits einige Nanoprodukte auf den Markt gebracht hat. Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass unterhalb einer Grösse von ca. 50 nm nicht mehr die klassischen physikalischen Verhältnisse gelten, sondern die Gesetze der Quantenphysik.
Die Nanotechnologie verspricht bahnbrechende Entwicklungen in praktisch allen Bereichen. Längst haben Forscher die Blattoberfläche der Lotusblüte untersucht und schmutzabweisende Lacke, Farben und Beschichtungen hergestellt. Die Nanostruktur des Geckofusses gab Anlass zur Entwicklung von Klebebändern, die niemals ihre Klebekraft verlieren, und Pflastern, die sich schmerzfrei ablösen lassen. Die Cellulosefibrillen von Holz werden nachgebaut für Werkstoffe mit hoher Zugfestigkeit. Man arbeitet an schnelleren Prozessoren, besseren Kosmetikprodukten, neuen Möglichkeiten im Umweltschutz und in der
Schnappschüsse an der atomaren Grenze: Beobachtete Wechselwirkung der Atome an der Grenzfläche zwischen einem flüssigen Aluminium-Tropfen und einem kristallinen Aluminiumoxid. Mittels Hochspannungs-Elektronenmikroskopie kann nachgewiesen
werden, dass Kristalle in der Lage sind, die Atome in benachbarten flüssigen
Metallen zu ordnen, selbst bei hohen Temperaturen.
Nanotechnologie ist der Sammelbegriff für eine breite Auswahl von Technologien, die sich der Erforschung, Bearbeitung und Produktion von Gegenständen und Strukturen widmen, die kleiner als 100 Nanometer (nm) sind. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter (10–9 m) und bezeichnet einen Grenzbereich, in dem die Oberflächeneigenschaften gegenüber den Volumeneigenschaften der Materialien eine immer grössere Rolle spielen und zunehmend quantenphysikalische Effekte berücksichtigt werden müssen.
Es gibt auch einen Zweig der Nanotechnologie, der als Fortsetzung und Erweiterung der
Mikrotechnik angesehen werden kann, doch erfordert eine weitere Verkleinerung von Mikrometerstrukturen meist völlig unkonventionelle neue Ansätze. Die Visionen gehen bis hin zu winzigen «U-Booten», die durch den menschlichen Blutstrom kreisen und Medikamente transportieren oder gar Operationen durchführen.
In Firmen, die im Bereich der Nanotechnologie forschen und entwickeln, herrscht Goldgräberstimmung. Experten sagen für das Jahr 2015 einen weltweiten Umsatz mit nanotechnisch hergestellten Produkten in der Höhe von 1 Trillion Dollar voraus. Neben dem Enthusiasmus über die neue Technologie mehren sich inzwischen die warnenden Stimmen. Wie steht es um die biologische Abbaubarkeit der Nanopartikel? Welche Auswirkungen haben sie auf das Ökosystem – und welche auf die Gesundheit des Menschen? Die kanadische ETC Group legte bereits 2003 einen Bericht vor, in dem sie Forschungsergebnisse namhafter Wissenschaftler dokumentierte und darauf hinwies, dass die Konsequenzen des Nano-Booms nie systematisch durchleuchtet worden seien. So zeigten Untersuchungen des Pathologen Vyvyan Howard (Universität Liverpool), dass die winzigen Teilchen durch Einatmen, über den Verdauungstrakt und durch die Haut aufgenommen werden können. Da Nanopartikel in vielerlei Hinsicht andere Eigenschaften haben als dasselbe Material in Makrogrösse, ist nach Howard eine gesundheitsschädigende Wirkung nicht ausgeschlossen.
Auch der schweizerische Rückversicherer Swiss Re hat mit Risikoabschätzungen begonnen. Die Expertin Annabelle Hett fasst ihren ausführlichen Report zusammen: „Die meisten Nanopartikel sind vermutlich nicht toxisch im eigentlichen Sinne. Aufgrund
ihrer Winzigkeit haben sie aber besondere Eigenschaften mit daraus resultierenden Risiken, die noch weitgehend unbekannt sind.“
Die Kernfrage für die Risikodebatte lautet: Welche Wirkungen können Nanoanwendungen auf Organismen haben? In der Tat haben Experimente mit Mäusen und Ratten gezeigt, dass Nanotubes in Gewebezellen Entzündungsreaktionen auslösen können. Etwa 150 Nanoprodukte stehen bereits in unseren Kaufregalen. Dazu gehören antihaftbeschichtete Backbleche, mit Nanopartikeln angereicherte Sonnencremes bis hin zum Golfball, der eine geradere Flugbahn einschlägt. Eine Nano-Deklaration ist bis heute in keinem Land Gesetz.
In der Novemberausgabe 2005 griff die „Technology Review“ die Problematik unter der Schlagzeile „Das Nano-Risiko“ auf. Angesichts der sich häufenden Hinweise, dass viele der neuen Wundermaterialien aus der Nanowelt für lebende Organismen schädlich sein könnten, schlägt der Physiker und Wissenschaftsjournalist Niels Boeing vor, die Nanotechnik in drei Klassen einzuteilen:
• Isolierte Nanotechnik: Damit gemeint sind Materialien, in denen die Nanokomponente fest eingebettet und damit von der Umwelt isoliert ist, wie zum Beispiel selbstreinigende Oberflächenbeschichtungen.
• Bioaktive Nanotechnik: Sie umfasst künstlich hergestellte Nanopartikel, die nicht in einer festen Matrix eingebunden sind. Dazu gehören unter anderem die Buckyballs, die aus 60 Kohlenstoffatomen bestehen, die wie Fünf- und Sechsecke auf einem Fussball aufgebaut sind. Diese hohlen Konstrukte können mit Substanzen gefüllt oder auch beschichtet werden, was ihnen wieder neue Eigenschaften verleiht.
• Disruptive Nanotechnik: In diese Kategorie fallen die Versuche, künstliche Mikroorganismen herzustellen. Zwar gehören viele diesbezügliche Ideen noch ins Reich der Sciencefiction. Doch auch hier wird fleissig geforscht und entwickelt. So ist Craig Vetter (Institute for Biological Energy Alternatives, Rockville) zur Zeit dabei, ein „neues“ Genom für das Bakterium M. genitalum zu entwerfen.
In der „Isolierten Nanotechnik“, der Gruppe mit der weitaus grössten Verwendung, sieht Boeing – von der ungelösten Entsorgung des Materials einmal abgesehen – keine unmittelbaren Gefahren. Hingegen tritt er dafür ein, die beiden anderen Gruppen genau im Auge zu behalten. Im jetzigen Frühstadium sei es noch möglich, die „Bioaktive Nanotechnik“ zu analysieren und zu regulieren. Noch grössere Skepsis sei bei der „Disruptiven Nanotechnik“ angezeigt. Beispielsweise sei eine militärische Umnutzung in diesem Sektor klar absehbar und ein Moratorium wäre gemäss Boeing die einzig vernünftige Option. In den USA laufen entsprechende Initiativen.
Das bedeutet noch lange nicht, dass alles, was mit Nanotechnologie zu tun hat, problematisch ist. Boeing meint dazu: „Diese Technik pauschal als gefährlich zu brandmarken oder zu stoppen, ist weder machbar noch wünschenswert.„ Zu gewaltig sei ihr positives Potential. Was er aber fordert, ist Offenheit und Transparenz.
Gleicher Meinung ist Christoph Meili, der bis vor kurzem das Kompetenzzentrum Gen-, Bio- und Nanotechnologie der Stiftung Risiko-Dialog leitete. Er betont, dass man die Nanotechnologie einem Laienpublikum durchaus erklären könne, ja sogar müsse. Denn neben naturwissenschaftlichen Problemen sieht er auch juristische und ethische Fragen, die es in diesem Zusammenhang zu beantworten gilt.
Die Autoren einer Studie des Zentrums für Technologiefolgen TASWISS halten unter anderem fest, dass sich die Nanotechnologie in verschiedener Hinsicht mit der Gentechnik vergleichen lasse. Zum Beispiel würden beide in vitale Prozesse eingreifen.
Die Befürchtung, dass der Mensch sich damit schöpferische Vollmachten anmasst, ohne die Folgen seines Tuns zu ermessen, könnte sich global verbreiten. Damit eine polarisierende und letztlich auch lähmende Debatte vermieden werden kann, schlagen sie eine weitere Massnahme vor: Ein kompetentes Gremium soll geschaffen werden. Dieses soll die weiteren Entwicklungsschritte der Nanowissenschaft begleiten, um potentielle Risiken der Technik frühzeitig aufzudecken und zu begrenzen. In diesem Gremium müssten Fachleute aus unterschiedlichen Forschungszweigen und aus verschiedenen Nationen Einsitz haben.
Angesichts der rasenden Entwicklung ist es höchste Zeit, über Sicherheitsauflagen zu diskutieren, auch wenn Forschung und Industrie sie fürchten. Gefordert werden muss ein verantwortungsvolles Handeln aller Beteiligten. Wo dem breiten Publikum nur „bahnbrechende Neuerungen“ versprochen, aber die Grenzen und möglichen Gefahren verschwiegen werden, reagiert es zu Recht skeptisch.
Nanotechnologie gilt als Technik der Zukunft. Sie arbeitet im Miniatur-Bereich, weit jenseits des Mikrometers, und leitet eine neue Ära der Miniaturisierung ein – in der Medizin, in Ernährung und Umwelt, Elektronik, Informatik, Robotik sowie Material- und Werkstofftechnik. Nun häufen sich die Hinweise: Viele der neuen Materialien aus der Nanowelt könnten für lebende Organismen schädlich sein. Toxikologische Studien deuten darauf hin, dass die winzigen Nanopartikel ins Körpergewebe von Menschen und Tieren eindringen und Zellen schädigen können. Doch nicht jede Art der Nanoanwendung ist deshalb als gefährlich einzustufen. Es gilt, zwischen isolierter, bioaktiver und disruptiver Nanotechnik zu unterscheiden. Während die isolierte Nanotechnik keine unmittelbaren Gefahren birgt, ist es nötig, die bioaktive und disruptive genau zu beobachten und gegebenenfalls streng zu regulieren.
„All die Millionen Laien, welche die Segnungen der Nanotechnologie konsumieren sollen, haben ein Recht darauf, diese technische Zukunft mitzugestalten“, fasst Niels Boeing zusammen.
Damit dies möglich ist, muss die Nanowelt unter dem Rasterelektronenmikroskop der Labors hervorgeholt und den Zeitgenossen so zugänglich gemacht werden, dass jeder sie unter die Lupe nehmen kann. Denn – dass hier ein Handlungsbedarf besteht, sieht man von blossem Auge.
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