Nanotechnologie

Die Nanotechnologie umfasst ein sehr großes Forschungsgebiet rund um die Konstruktion mit sehr kleinen Materialien und Maschinen. Der Begriff „Nano“ leitet sich ab von der Größeneinheit Nanometer. Ein Nanometer entspricht 10-9 Meter oder ein Milliardstel Meter. Zum Vergleich: Der Durchmesser von Atomen liegt zwischen 0,03 und 0,20 Nanometern.

Mit der Erfindung des Rastertunnelmikroskops 1981 konnten nicht nur einzelne Atome sichtbar gemacht, sondern auch manipuliert werden. Auf molekularer Ebene können somit Strukturen geschaffen werden, die zu neuen Materialien oder zu winzig kleinen Maschinen zusammengesetzt werden. Diese neuen Materialien haben vollkommen neue Eigenschaften, die in der Natur nicht vorkommen. Oberflächen können glatter gestaltet werden, so dass kein Schmutz oder Wasser mehr darauf haften. Materialien können leichter und steifer gemacht werden. Textilien können wasserabweisende Oberflächen bekommen, Schusswesten können aus dünnem Material gefertigt werden. Die Effizienz und die Eigenschaften von Bildschirmen können optimiert werden. Die nächste Generation von Bildschirmen wird dünn, transparent und biegsam bei einem geringen Energieverbrauch sein. Solarpanele werden billiger, biegsamer und effizienter werden. Geringe Energiemengen können mit Zinkoxidnanokristalle durch Druck und Vibration zum Beispiel in der Kleidung zur Versorgung von mobilen Geräten erzeugt werden.

Das größte Problem bei der Erzeugung von Nanomaterial ist, dass Atome sehr, sehr klein sind. Es dauert mit einem Rastertunnelmikroskop Ewigkeiten, bis ein Gebilde aus einzelnen Atomen in unserer makroskopischen Welt überhaupt wahrnehmbar wird. Um größere Strukturen aus Nanomaterial zu erschaffen, ist es daher notwendig, dass sie sich gewissermaßen in Selbstorganisation bilden. Ein Beispiel für spontane molekulare Selbstanordnung: http://www.nanospots.de/spots/tag/spontane-molekulare-selbstorganisation/

Die Vorstellung, dass Nanoroboter komplexe Strukturen auf Nanoebene erzeugen, ist derzeit noch hypothetisch. Zuerst müssen wir in der Lage sein, Nanoroboter, die auch unter dem Namen Nanobots oder Naniten bekannt sind, zu erzeugen.

Eine weitere Eigenschaft von Nanopartikeln ist die sehr viel größere Oberfläche im Vergleich zu festen, zusammengesetzten Körpern aus demselben Material. Katalytische Effekte bei der Reinigung von Luft, Wasser und Böden können damit optimiert werden. Riesige Mengen von Verschmutzungen können mit relativ geringen Mengen von Nanopartikeln gesäubert werden.

Neben diesen Anwendungen wird Nanotechnologie die Architektur, die Informationstechnologie und die Medizin revolutionieren. Hauptsächlich ein Material erweist sich als besonders vielseitig: Kohlenstoffnanoröhren oder, in ausgerollter Form, Graphen.

Kohlenstoffnanoröhren sind Fullerene: dreidimensionale Kohlenstoffmoleküle mit ganz besonderen Materialeigenschaften. Im Verhältnis zu Stahl haben Kohlenstoffnanoröhren eine zehnfach höhere Zugfestigkeit bei nur einem Sechstel der Dichte, da sie nicht massiv aufgebaut sind, sondern eine zylindrische Form haben. Bereits heute findet man sie als beigemischter Verbundwerkstoff in vielen Produkten, bei denen Leichtigkeit und Festigkeit gefragt sind, z.B. in Badmintonschlägern, Fahrrädern, Rennwagen etc. Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen, die in Honigwabenform angeordnet sind. Es sieht aus wie eine ausgerollte Kohlenstoffnanoröhre. Eine Lage Graphen ist so dünn wie ein Atom. Kohlenstoffnanoröhren und Graphen können Strom 1000-mal besser leiten als Kupfer.

Diese Materialeigenschaften machen Graphen und Kohlenstoffnanoröhren zu einem sehr interessanten Grundstoff für die Architektur und die Elektronikindustrie.

Architektur

Kohlenstoffnanoröhren lassen sich mit verschiedenen Verfahren in größeren Mengen ein- und mehrwandig herstellen: mit einem Lichtbogen, mit Laser oder mit einem chemischen Verfahren (siehe https://www.fkf.mpg.de/50876/kk379.pdf). Graphen kann mechanisch, chemisch und thermisch hergestellt werden. Bei beiden Werkstoffen sind derzeit jedoch die Kosten noch sehr hoch und die Länge bzw. Größe der einzelnen Segmente noch sehr klein, so dass sie nur in der Mischung mit anderen Stoffen eingesetzt werden. Sobald jedoch die Kosten gesenkt und die Größe maximiert werden, können Kohlenstoffnanoröhren und Graphen als Baumaterial eingesetzt werden und aufgrund ihrer Festigkeit und ihres geringen Gewichtes völlig neue Konstruktionen ermöglichen.

Eine ganz besonders bemerkenswerte Konstruktion wäre ein Weltraumlift. Erst mit den Nanowerkstoffen ist die Erstellung eines Seiles, das von der Erde bis in die geostationäre Umlaufbahn in 36.000 Kilometern Höhe reicht, zumindest theoretisch möglich. Ein daran befestigter Aufzug würde die Transportkosten in den Weltraum je Kilogramm von mehreren zehntausend auf 200 Euro reduzieren sowie das Risiko des Transports minimieren. Raumstationen auf dem Mond, Flüge zum Mars oder die Errichtung von großen Weltraumstationen sind viel leichter und günstiger umzusetzen als mit Raketentechnologie. Ein Raumschiff, das aus dem Erdorbit zu einem Himmelskörper startet, kann viel größer sein und braucht viel weniger Treibstoff, als wenn es von der Erde aufbricht (siehe http://www.sapereaudepls.de/einzeldisziplinen/technik/weltraumlift/).

Elektronikindustrie und Informationstechnik

Wegen der hohen Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren und Graphen eignen sich diese Materialien für die zukünftige Erstellung von Mikro- bzw. Nanoelektronik. Erste Transistoren wurden bereits mit Graphen entwickelt und getestet (siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Graphen#Grundlagenforschung_und_m.C3.B6gliche_Anwendung). Damit sind Computerchips möglich, die 1000-mal kleiner sind als es die theoretische Grenze der derzeitigen Technologie der Silizium-Halbleiter erlaubt. Kohlenstoffnanoröhren können als Nanodrähte verwendet und Schalter aus Silber- und Platinatomen erzeugt werden. Damit ist die Speicherung von Information auf Atomebene möglich.

Neben der immensen Verkleinerung der Bauteile ist auch eine hohe Reduzierung des Energieverbrauchs möglich. Der Nachbau des Gehirns (siehe Human Brain Project) sowie echte künstliche Intelligenz inklusive eines Bewusstsein sind damit keine Science Fiction mehr. In Kombination mit den fast unvorstellbaren Rechenleistungen eines Quantencomputers hätte man die Fähigkeiten unsers Gehirns bei weitem übertrumpft.

Nanotechnologie in der Biomedizin (Nanomedizin)

Die größten Umwälzungen durch Nanotechnologie werden wir kurz- und mittelfristig in der Medizin erfahren, und zwar hinsichtlich Diagnose, Behandlung, Regeneration von Gewebe, Organen, Knorpel und Knochen sowie der Steuerung von Prothesen.

Diagnose

Eine menschliche Zelle hat einen Durchmesser von 10.000 bis 20.000 Nanometer. Die Botenstoffe zwischen den Zellen, die Proteine, haben eine Größe von wenigen Nanometern. Bei einer Schädigung der Zelle teilen die Zellen dies anderen Zellen mit. Dieser Botenstoff wird Biomarker genannt. Für jede Krankheit gibt es spezielle Biomarker.

In der Molekulardiagnostik ist eine sehr frühzeitige Diagnose möglich, wenn Nanosensoren diese Botenstoffe interpretieren. Die Botenstoffe docken normalerweise an den Zielzellen über Rezeptoren an (siehe Liganden). Diese Rezeptoren werden auf den Nanosensoren durch Goldnanopartikel nachgeahmt. Mit einem Tropfen Körperflüssigkeit kann dann bereits eine vollständige Analyse des Gesundheitszustandes durchgeführt werden (siehe https://www.uni-mainz.de/presse/57174.php).

Der nächste Schritt wäre die Unterbringung der Nanosensoren auf einem Chip, der im Körper implementiert ist. Mit externen Geräten wie dem Smartphone könnte dann jederzeit der aktuelle Gesundheitszustand ausgelesen werden.

Eine weitere Methode der Diagnostik ist der Einsatz von Nanosensoren aus Kohlenstoffnanoröhren bei der Analyse der Atemluft. Der Ausbruch einer Krankheit führt zur Veränderung im Stoffwechsel, was über den Atem messbar ist. Wenn sich Moleküle mit einer Nanoröhre verbinden, wird deren elektrische Leitfähigkeit verändert, was gemessen und interpretiert werden kann. Bei der Interpretation werden nicht einzelne Moleküle analysiert, sondern der Abdruck der Probe wird mit Referenzen abgeglichen. Die Früherkennung von Lungenkrebs und Bronchitis sind derzeit bereits mit dieser Technik realisiert.

Die Nanosensoren bieten natürlich weitreichende Anwendungsmöglichkeiten. So können damit Verunreinigungen von Luft, Gasen und Flüssigkeiten gemessen werden (siehe http://www.kooperation-international.de/detail/info/wissenschaftler-entwickeln-einzigartigen-nanosensor.html). Mit Nanosensoren können wir wie Hunde auf Molekülebene riechen und zum Beispiel Sprengstoffe aufspüren.

Behandlung

Wirkstoffe, wie sie in der Chemotherapie verwendet werden, erreichen heute nur in 2 % der Fälle die Krebszelle. 98 % schädigen gesundes Gewebe. Mit Nanokapseln können die Wirkstoffe gezielt zur Krebszelle gebracht werden. Die Nanokapsel ist so groß wie ein Virus. Damit sie nicht vom Immunsystem abgefangen wird, werden Fäden auf der Oberfläche der Kapsel angebracht, die Wassermoleküle anziehen. So getarnt können die Kapseln mehrere Stunden im Körper zirkulieren, um ihr Ziel zu finden. Auf der Oberfläche der Kapseln sind Moleküle angebracht, die an die Rezeptoren der Krebszelle andocken können. Einmal angedockt können die Wirkstoffe z.B. über den besonderen pH-Wert der Krebszelle freigesetzt werden (siehe http://www.simplyscience.ch/teens-liesnach-archiv/articles/medikamente-in-nanokapseln/dossier/26732/item/7.html). Mit dieser Technik werden nicht nur die gesunden Zellen vor dem Wirkstoff geschützt, auch die Dosis kann 20-mal höher verabreicht werden als in der klassischen Anwendung.

Natürlich sind auch eine ganze Reihe andere Anwendungen mit dieser Methode denkbar. So gibt es bereits Nanokapseln, mit denen der Alkoholspiegel im Körper innerhalb von Sekunden gesenkt werden kann (siehe http://www.forschung-und-wissen.de/nachrichten/medizin/nanokapsel-macht-in-weniger-sekunden-nuechtern-13371837).

Eine weitere Behandlungsmöglichkeit mit Nanopartikeln ist die Verabreichung von synthetischen Nanoimpfstoffen, die das Immunsystem unterstützen (siehe http://www.spektrum.de/news/nanoimpfstoff-foerdert-immunzellen-gegen-diabetes/1028598).

Regeneration

Normalerweise steuern Proteine das Wachstum von Zellen. Die Bionanotechnologie manipuliert den menschlichen Körper auf Nanoebene und steuert künstlich Wachstums- und Regenerationsprozesse, um beschädigtes Gewebe zu ersetzen. Man kann künstliches Nanogewebe, das strukturell dem körpereigenen Kollagen gleicht, mit zellwachstumsanregenden Proteinen umgeben. Das Gewebe wird dann in Form eines Gels in die Köperregion gespritzt, in der die Regeneration bewirkt werden soll.

Mit dieser Methode lassen sich Haut, Knorpel, Knochen und sogar ganze Organe oder Neuronen und Synapsen regenerieren. Unheilbare Querschnittslähmung könnte schon bald der Vergangenheit angehören.

Steuerung von aktiven Prothesen

Zu guter Letzt kann man mit der Nanotechnologie die Schnittstelle zwischen Menschen und Maschinen optimieren. Auf Nanoebene können Synapsen und Elektronik derart verbunden werden, dass Botschaften gesendet und empfangen werden können. Damit lassen sich Prothesen wie Roboterarme nicht nur genauer steuern. Auch Empfindungen können in der Rückrichtung an das Gehirn übertragen werden.

Bedenken

Neue Technologien bergen immer auch Risiken und Gefahren. Nanopartikel gelangen nicht nur in die Lunge, sondern auch in den gesamten Körper. Die Gesundheitsgefährdung von Rußpartikeln ist bereits bekannt. Der Zusammenhang zwischen nanometergroßen Rußpartikeln und Herzanfällen wird derzeit erforscht. Hohe Dosen von Silbernanopartikel, die gerne wegen ihrer antibakteriellen Eigenschaften verwendet werden, oder Nanopartikeln aus Titanoxid, das in Sonnencreme enthalten sein kann, sind giftig. Kohlenstoffnanoröhren haben eine ähnliche Form und Größe wie Asbestfasern. Asbest setzt sich in der Lunge fest und führt zu einem unheilbaren Lungenkrebs, der innerhalb eines Jahres tödlich verläuft.

Doch auch ethische Fragen stellen sich. Nanosensoren werden sehr bald überall im öffentlichen Raum die Sicherheit überwachen. Ein weiterer Schritt in Richtung Totalüberwachung. Mit der Nanotechnologie lassen sich nicht nur Maschinen steuern, auch umgekehrt können Menschen gesteuert werden. Kein Mensch möchte wie in der Fernsehserie Star Trek – Next Generation als ferngesteuerter Borg durch die Gegend laufen.

Sehenswerte Dokumentationen zur Nanotechnologie:

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