Was sind Nanoteilchen?

Die Nanowelt gleicht in vielem noch einem unbekannten Kosmos mit kaum vorstellbaren Dimensionen – und zwar unvorstellbar kleinen Dimensionen. 250 Mrd. Nanopartikel aus RuB passen beispielsweise problemlos in den Punkt, der am Ende dieses Satzes steht. In der Nanowelt bewegen wir uns auf der Ebene einzelner Molekule und Atome. Die Vorsilbe Nano entstammt dem griechischen Wort ,,nanos“ (Zwerg), ein Nanometer entspricht dem millionsten Teil eines Millimeters. Schon 5… 10 Atome nebeneinander ergeben einen Na­nometer. Eine Veranschaulichung dieser GroBenverhaltnisse zeigt Abb. 14.1.

image216

Abbildung 14.1 Die Nanowelt im GroBenvergleich. Links: Typische Nanopartikel (Silica-

(Si02)-Nanopartikel, www. furukawa. co. jp) verhalten sich zu einem Fu&ball wie etwa ein FuBball zur Erdkugel.

Die Nanotechnologie befasst sich mit Strukturen, die per Definition kleiner als 100 Nano­meter sind. Das bedeutet, sie befasst sich sowohl mit dunnen, wenige Nanometer dicken Schichten als auch mit kleinsten Objekten oder Strukturen, deren Dimensionen im Bereich weniger bis einzelner Molekule liegen. Die Besonderheit bei der Beschaftigung mit Nano- partikeln besteht darin, dass die Gesetze der klassischen Physik im Nanokosmos ihre Giil – tigkeit verlieren. Hier gilt die Quantenmechanik, nach der sich Eigenschaften von Stoffen nicht mehr kontinuierlich, sondem in Sprungen (gequantelt) andem.

Die Nanomaterialien besitzen im Vergleich zu ihren grober strukturierten Formen deutlich veranderte Eigenschaften, die physikalische und chemische, aber auch biologische Stoff- charakteristika betreffen. So andem sich z. B. wichtige Materialeigenschaften eines Fest – korpers wie elektrische Leitfahigkeit, Magnetismus, Fluoreszenzverhalten, Harte und Fes – tigkeit signifikant mit der Anzahl und der Anordnung der wechselwirkenden Atome, Ionen oder Molekule. Nichtleiter werden zu Leitem, Stoffe wechseln ihre Farbe wenn sie zu Na – nopartikeln verarbeitet werden. Zum Beispiel variiert das Fluoreszenzverhalten des Cadmi – umtellurids (CdTe) stark mit der PartikelgroBe: Ein 2 nm groBes CdTe-Partikel sendet grn- nes Licht aus, ein 5 nm groBes Partikel dagegen rotes.

Auch chemische Eigenschaften hangen stark von der Strukturierung der Materialoberflache ab. Je kleiner die Teilchen, umso grofier ist das Verhaltnis zwischen Oberflache und Volu – men, umso hoher ist der Anteil an Oberflachenatomen. Nanoskalige Strukturen weisen demnach ein deutlich groBeres Verhaltnis von reaktiven Oberflachenatomen zu reaktions – tragen Teilchen im Inneren des Feststoffs auf. Zum Beispiel enthalt ein Partikel des Durchmessers 20 nm etwa 250.000 Atome, wobei sich 10% der Atome an der Oberflache befinden. Verkleinert man das Partikel auf einen Durchmesser von 1 nm enthalt es ca. 30 Atome, wobei der Anteil der Oberflachenatome nun 99% betragt.

Durch die Nanostrukturierung ergeben sich somit vollig neue Moglichkeiten fur die Ent – wicklung funktionaler Oberflachen, bei denen gewunschte Materialeigenschaften wie der Selbstreinigungseffekt bei Werk – und Baustoffoberflachen, eine verbesserte Kratzfestigkeit von Lacken, spezielle Effekte bei Farben und Lacken durch Einsatz von Nanopartikeln, Antireflexeigenschaften bei Gebrauchsglas und Displays, ein verbesserter UV – und Warme – schutz sowie antibakterielle Eigenschaften von Werk – und Baustoffen gezielt auf den je – weiligen technischen Anwendungszweck zugeschnitten werden konnen.