Grundlagen

Über das Verhalten und den Verbleib von synthetischen Nanomaterialien in der Umwelt ist nur wenig bekannt, da keine anerkannten Untersuchungs- und Bewertungsverfahren zur Verfügung stehen.

Auf Seiten der Wirtschaft bestehen noch erhebliche Handlungs- und Investitionsunsicherheiten. Potenzielle Anwender von Nanomaterialien werden durch die öffentliche Debatte über Chancen und Risiken der Nanotechnologie und die Berichterstattung der Medien, die vor allem mögliche gesundheits- und umweltschädigende Wirkungen hervorhebt, verunsichert. Die Risikoforschung zeigt, dass die Anwendung synthetischer Nanomaterialien, wie vieler Chemikalien, einen verantwortungsvollen Umgang erfordert.

Vorkommen

Das Vorkommen kleinster Partikel in unserer Umwelt ist nicht neu. Entwicklungsgeschichtlich gab es in der Luft der Erde schon immer eine Vielzahl von ultrafeinen Partikeln natürlichen Ursprungs. Bei Vulkanemissionen, Wald- und Steppenbränden sowie an Meeresküsten (Salzaerosole) werden große Mengen kleinster Partikel in die Atmosphäre freigesetzt. Auch im Rauch von Holzfeuern, Zigarettenqualm, Kfz-Abgasen sowie Gasemissionen von Druckern und Kopierern (Emissionen aus Industrie und Verkehr) befinden sich Feinstäube in der Luft, die teilweise im Nano-Bereich liegen. In all diesen Fällen entstehen die Kleinstpartikel zufällig.
Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften wurde in den letzten Jahren mit der gezielten Herstellung synthetischer Partikel/Materialien im Nano-Bereich begonnen. Um zwischen anthropogenen und gezielt hergestellten Partikeln zu unterscheiden, wird der Begriff Nanopartikel/-materialien in der Regel nur für synthetische Produkte im Nanometer-Bereich verwendet („Nanotechnologie"). Nanopartikel können aus einer Vielzahl von chemischen Stoffen und Verbindungen hergestellt werden. Sowohl anorganische als auch organische Nanopartikel sind bekannt. Sie können aus nur einem Element bestehen (z.B. einem Metall) oder aber aus verschiedenen Verbindungen (z.B. Oxide, Nitride u.a.).

Weitere Informationen zur Nanotechnologie finden Sie auf der Seite des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) und zu Nanomaterialien als Werkstoffe beim Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Eigenschaften

Die Besonderheit der Nanopartikel liegt in ihrer hohen Reaktivität aufgrund der großen spezifischen Oberfläche. Bei Teilchengrößen unterhalb von 100 nm können z. B. bei der elektrischen Leitfähigkeit, der Lichtabsorption, der chemischen bzw. biologischen Aktivität sowie beim Magnetismus unerwartete Eigenschaften auftreten. Grundsätzlich verhalten sich Nanopartikel wegen ihres enormen Oberfläche-zu-Masse-Verhältnisses gänzlich anders als größere Partikel.
Nanopartikel lagern sich häufig aneinander und bilden Aggregate oder Agglomerate (siehe Bild). Das Aggregationsverhalten, und damit auch bestimmte Eigenschaften, kann über das Herstellungsverfahren und die Modifikation der Oberfläche gesteuert werden.

Bild: Nanopartikel - Aggregate - Agglomerate (von links nach rechts)

Anwendungen

Nanomaterialien werden bereits heute in den unterschiedlichsten Formen und Produkten eingesetzt. 
Einige der wichtigsten in großtechnischem Maßstab im Einsatz befindlichen, gezielt hergestellten Nanopartikel sind derzeit: 

  • Carbon Black
  • Metalloxide (Siliziumdioxid, Titandioxid, Aluminiumoxid, Zinkoxid, Eisenoxid)
  • Halbleiter wie Cadmium-Tellurit und Gallium-Arsenid
  • Metalle wie Gold und Silber


Carbon Black („Industrieruß") wird z.B. in Reifen als verstärkender Füllstoff genutzt. Nanoskaliges Titandioxid wird in Sonnenschutzcremes eingesetzt, um die UV-Durchlässigkeit zu verringern. Titandioxid und Zinkoxid werden u.a. in Kosmetika verwendet.
Als neue Substanzklasse mit besonderen Materialeigenschaften werden im Technikumsmaßstab Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon-Nanotubes, CNT) und Fullerene („Bucky Balls") hergestellt. Diese kommen in der Umwelt bisher nicht vor und sind aufgrund ihrer Struktur relativ stabil. CNT sind Röhrchen mit einem Durchmesser von 1 bis zu 50 Nanometern. Sie zeichnen sich durch eine besonders hohe Zugfestigkeit aus und sind je nach Struktur leitend oder halbleitend. Einige Strukturen haben bei tiefen Temperaturen auch die Eigenschaften eines Supraleiters. Wegen ihrer Eigenschaft als Halbleiter werden Nanotubes u.a. für die Transistorherstellung (bei Computerchips) sowie bei der Display-Herstellung verwendet. Fullerene sind ausschließlich aus Kohlenstoffatomen bestehende kugelförmige Makromoleküle, die im medizinischen Bereich schon Anwendungen finden.

Eine Übersicht von Unternehmen und Forschungseinrichtungen in Deutschland die sich mit Nanotechnologie beschäftigten gibt der Kompetenzatlas Nanotechnologie des Bundesministeriums für Bildung und Forschung.

Risiken und Schutzmaßnahmen 

Das Einatmen von großen Mengen Feinstaub ist mit Gesundheitsgefahren verbunden. Die Belastung der Luft mit Kleinstpartikeln begann nicht erst mit der Nutzung der Nanotechnologie, sondern findet täglich an Arbeitsplätzen, im Straßenverkehr sowie in belasteten Innenräumen (Zigarettenrauch) statt. Die Aufnahme unlöslicher, lungengängiger Partikel kann beim Menschen zu Gefährdungen der Gesundheit führen. Hierbei steht in erster Linie die Größe der Partikel und nicht deren chemische Zusammensetzung im Vordergrund. Die Risikothematik bei der Handhabung von synthetischen Nanomaterialien wird zwar intensiv untersucht, doch ist über deren Wirkungen auf die Umwelt sowie auf exponierte Bevölkerungsgruppen wenig bekannt. 

Besondere rechtliche Regelungen zum Schutz von Arbeitnehmern beim Umgang mit synthetischen Nanomaterialien existieren derzeit (noch) nicht. Richt- oder Grenzwerte zur Teilchenkonzentration bzw. Teilchengrößenverteilung in der Luft können erst dann festgelegt werden, wenn toxikologisch aussagefähige Schlussfolgerungen vorliegen und standardisierte Messverfahren festgelegt sind. Aus Vorsorgegründen sind bei Tätigkeiten mit synthetisch hergestellten Nanopartikeln technische, organisatorische und persönliche Schutzmaßnahmen (geschlossenen Systeme, Abgrenzung der Arbeitsbereiche, Staubschutzausrüstung) zu beachten.

Auf der Infoplattform Nanosicherheit bietet das Hessische Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung weitere Informationen zur Sicherheitsthematik.

Für den Bereich Nanomaterialien am Arbeitsplatz finden Sie weitere Informationen auf den entsprechenden Seiten der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) und dem Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA).