FUTURE DEVSchlüssel-Technologien

KeyTec: Nanotechnologie – „Ganz unten ist eine Menge Platz“

„Ganz unten ist eine Menge Platz“ mit dieser Aussage im Jahre 1950 legte Richard Feynman die Grundlage für die heute als Nanotechnologie bekannte Kunst, die Materie auf kleinster Ebene zu manipulieren. Auch wenn der Begriff selbst erst später geschaffen und genutzt wurde, entstand damals die Idee, Materialien und Maschinen zu erschaffen, welche direkt aus Atomen oder Molekülen konstruiert werden.Nanotechnologie Lotus Gehrer

Der bekannteste Vertreter im Verlauf der neu heranwachsenden Nanotechnologie ist wohl der „Lotus-Effekt.“  Eine Entwicklung aus der Bionik. Hier wird die Fähigkeit des Lotus kopiert, Wasser und andere Flüssigkeiten von seiner Oberfläche abperlen zu lassen. Feine Nanopartikel kopieren diesen Effekt und verhindern, dass Wasser und Schmutz an behandelten Oberflächen haften bleibt.

Sehr viele Entwicklungen im Bereich der Nanotechnologie sind schon lange auf dem Markt und nicht unbedingt aktuelle Kreationen. Angefangen beispielsweise bei dem oben genannten Lotus-Effekt, über Pigmente und Additive in Lacken und Kunststoffen. Darüber hinaus in Sonnencremes um den Lichtschutzfaktor zu erzeugen, oder in der Innen-Beschichtung von  Plastikflaschen, um den Inhalt besser heraus fließen zu lassen.

Nanotechnologie ist eine der Schlüsseltechnologien, die am Rand zum Durchstarten steht. Hier wird der Übergang zum exponentiellen Wachstum schnell spürbar sein. Pure Rechnerleistung ermöglicht immer schnellere Simulationsläufe und treibt die Entwicklung an. Sobald aber ein Teilproblem gelöst ist, wie zum Beispiel die Wärmeentwicklung in Kleinstmaschinen oder brauchbare Trägersubstanzen, erzeugt diese Lösung einen Schneeballeffekt auf alle Projekte, die bisher von diesem Teilproblem limitiert wurden.

Einsatz von Nanomaterialien in der Medizin

Erst vor einigen Monaten gelang es Wissenschaftlern an der Universität in Alberta, Kanada, eine Nanomaschine erfolgreich zu testen, die als Medikamenten-Transporter funktioniert und winzige Mengen Medikamente direkt in die betroffenen (Brustkrebs-)Zellen liefern soll. Die Transporter bauten die Wissenschaftler aus DNA-Enzymen. Diese wurden auf der Oberfläche von Goldnanopartikeln befestigt. Die wirksamen Einheiten wurden während des Transportes deaktiviert und erst durch eine spezielle micro-RNA wieder aktiviert, die von den Tumorzellen produziert wird. Als zusätzliches Gimmick hatten die Forscher noch dafür gesorgt, dass die Substrate ein Fluoreszenzlicht emittierten, um eine Rückmeldung über die Wirksamkeit zu bekommen.

Bereits 2016 berichtete der Forschungs- und Entwicklungsdienst CORDIS vom Einsatz magnetischer Nanopartikel (MNP) in der Krebsbekämpfung. Im Rahmen eines Projektes Namens MULTIFUN (Multifunctional nanotechnology for selective detection and treatment of cancer), einem seltsames Kürzel für ein Krebsprojekt finde ich, wurden dabei erfolgreich MNP in Krebszellen eingebracht um Mithilfe deren thermischer Eigenschaften  die Krebszellen zu eliminieren. Zusätzlich wurden Nanopartikel genutzt, um Wirkstoffe direkt lokal zu applizieren.

Einsatz von Nanomaterialien in Textilien

Nanomaterialien werden bereits heute zur Verbesserung der Eigenschaften, oder für völlig neue Funktionen in Textilien eingearbeitet. Dabei werden Textilien schmutz- und wasserabweisend, atmungsaktiv, sie schützen vor UV-Licht, können leitfähig und antistatisch sein, besitzen eine erhöhte Verschleiß- und Knitterbeständigkeit oder Unempfindlichkeit gegen Flecken, oder reduzieren wirksam den Befall durch Bakterien oder Pilze

Einsatz von Nanomaterialien in Computern

Magnetische Arbeitsspeicher in Computern, sogenannte M-RAMs, werden aus Nanopartikeln gefertigt. Sie sind zum einen viel kleiner und leistungsfähiger als herkömmliche RAMs haben ein zusätzliches Feature:  ihre Information bei Verlust der Stromzufuhr (z. B. bei einem Computerabsturz mit notwendigem Neustart) gehen nicht verloren und die Informationen stehen beim Hochfahren des Rechners sofort zur Verfügung uns müssen nicht erst in den Arbeitsspeicher geladen werden. Momentan sind diese Speicher noch sehr teuer und deswegen nur in Industrierechnern im Einsatz, aber auch hier wird die Entwicklung fortschreiten.

WeiterentwicklungenNano Car Race

Am 28. April 2017 gab es ein sensationelles Spektakel in Frankreich zu sehen: Das erste Nano-Auto-Rennen der Welt. Über eine Rennstrecke von 100 Nanometern zeigen die Nano-„Vehikel“  von 6 internationalen Teams was ihre Entwickler können. Dabei sehen die „Rennwagen“ auch nicht annährend aus wie Autos. Es handelt sich um Partikelhäufchen in Molekulargröße, welche sich durch freigesetzte Elektronen bewegen. Schritt für Schritt, wobei ein Schritt 0,3 Nanometer entspricht. Das macht 100 Nanometer zu einem Langstreckenrennen. Chemiker haben bereits früher Nano-Autos mit Achsen und Rädern erschaffen ebenso kleinste Rotoren und Schalter.

Der Nobelpreis für Chemie 2016 ging an die Schöpfer von Nanomaschinen.Einem der Nobelpreisträger, dem niederländischen Chemiker Bernard Feringa, gelang es einen Nano-Rotor zu bauen, welcher so stark ist, dass er einen 10.000mal größeren Körper kontrollieren kann. Ein anderer Forscher aus dem Nobelpreis-Team von 2016, Fraser Stoddart, konstruierte eien molekularen Muskeln, der sich, wie sein anatomisches Vorbild, zusammen ziehen und strecken kann.

Die Entwicklung geht weiter, 2013 haben britische Forscher einen Nano-Roboter vorgestellt, der Aminosäureketten an einem Fließband zusammenbaut. Damit tut er genau das, was unsere Zellen tagtäglich tun.

Die daraus resultierenden Anwendungen werden unser Leben grundlegend verändern. Mag sein, dass es noch ein paar Jahre dauert, aber auch alle elektrischen Geräte, welche wir heute für selbstverständlich nehmen, hatten ihren Anfang in der Entwicklung der Grundlagen. Aus einem ersten klobigen Elektromotor im 19. Jahrhundert wurden elektrisch betriebene Züge, Waschmaschinen, Mixer, Bohrmaschinen, elektrische Fensterheber und Ventilatoren.

Natürlich hat auch die Nanowelt ihre Schattenseiten. So segensreich viele Entwicklungen, gerade in der Medizin, hier sind und sein werden, die Auswirkung von kleinsten Partikeln die wir zum Beispiel einatmen hat schon bei der bekannten Feinstaub-Problematik gezeigt, dass hier auch schädliche Effekte entstehen können. Drucker-Toner enthält Nanopartikel, um die Rieselfähigkeit verbessern zu können, der entstehende Feinstaub belastet uns derart, dass mittlerweile jeder Laserdrucker-Hersteller empfiehlt, die Geräte in einem Raum aufzustellen, in dem niemand arbeitet.

Die Bundesministerien für Bildung und Forschung (BMBF), Umwelt – Naturschutz – Bau und Reaktorsicherheit (BMUB), Arbeit und Soziales (BMAS) und für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) geben zusammen ca. 14,18 Mio. Euro pro Jahr für Projekte zur Risiko- und Begleitforschung in Nanotechnologien aus.

Die Auswirkungen von Nanopartikeln, welche wir über die Materialien, wie die oben erwähnten Plastikflaschen, aufnehmen werden sich erst in einigen Jahren zeigen, wenn Langzeitstudien dazu abgeschlossen und ausgewertet sind. Ebenso die Auswirkung von Nano-Materialien in anderen Stoffen wie Farben und Lacken und Oberflächenbeschichtungen. Wir erinnern uns: Wir hielten auch Asbest einmal für eine gute Idee.

Aber auch hier werden wir einen Weg finden, die Nebenwirkungen einzudämmen und die segensreichen Wirkungen zu steigern. Gerade in der Medizin bieten sich schier unglaubliche Möglichkeiten. Die Forschung in diesem sehr weiten Feld hat gerade einmal begonnen. Um es noch einmal mit den Worten von Richard Feynman zu sagen: „Ganz unten ist eine Menge Platz“

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