Die Nanotechnologie

Im Jahr 1959 hielt der US-amerikanische Physiker Richard Feynman am Caltech einen Vortrag. Dessen Titel lautete ins Deutsche übersetzt, etwa so viel wie: „Es gibt noch viel Spielraum nach unten“. Der Vortrag befasste sich mit denkbaren Möglichkeiten zur Manipulation bestimmter Materie auf deren atomarer Grundlage. Diese Rede wurde später von zahlreichen Wissenschaftlern aus der ganzen Welt als die Geburtsstunde der Nanotechnologie angesehen, obwohl das Wort „Nano“, in dem Vortrag nicht ein einziges Mal vorkam. Erst 1974 gebrauchte der japanische Wissenschaftler Norio Taniguchi die Begriffe Nanotechnik und Nanotechnologie. Die Forschungen und Erkenntnisse des japanischen Wissenschaftlers bezogen sich hautsächlich auf Halbleiterprozesse. Er zeigte damals erstmals denkbare Anwendungsmöglichkeiten der Nanotechnik auf. Damit inspirierte er zahlreiche weitere Wissenschaftler zu intensiver Forschungsarbeit.

Das erste, fast revolutionäre Ergebnis der Wissenschaft auf diesem Gebiet lieferte ein Rastertunnelmikroskop. Dieses wurde von den beiden Physikern Rohrer und Binning im Jahr 1981 vorgestellt und beide erhielten dafür später den Nobelpreis. Mit Hilfe dieses Mikroskops konnten zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit, Atome sichtbar gemacht werden. Für die Quantenphysik und dabei speziell für die Quantenmechanik bedeutete das einen riesen Fortschritt. Ein weiterer Forscher und Pionier in Bezug auf die Nanotechnik war der Wissenschaftler Eric Drexler. Seine Ideen für spezielle Materialien und die Konstruktion ganzer Maschinen aus einzelnen Atomen waren bahnbrechend. Neben aller Motivation zahlreicher Wissenschaftler, die Möglichkeiten der Nanotechnologie allumfassend zu erforschen und für die Praxis aufzubereiten, wurden jedoch auch einige kritische Stimmen laut.

Im Laufe der Zeit weitete sich der Begriff Nanotechnologie immer weiter aus. Es werden nicht mehr nur Materialien, Maschinen und Geräte betrachtet, die sich im Nanometerbereich bewegen und aus einzelnen Atomen oder Molekülen zusammengesetzt werden sollen. Auch in der Chemie hat der Begriff inzwischen Einzug gehalten. Er bezeichnet in diesem Wissenschaftszweig die Produktion von Nanomaterialien mit Hilfe chemischer Methoden.

Die Ideen von Eric Drexler werden nach wie vor von vielen Wissenschaftlern angezweifelt. Die meisten finden sie nicht praktikabel, obwohl es plausible wissenschaftliche Studien gibt. 1991 veröffentlichte Drexler auf Grundlage seiner Doktorarbeit ein Lehrbuch. Darin sind alle erforderlichen Schritte zur Realisierung seiner Theorien genau beschrieben. Bis heute gab es zahlreiche Experimente, die einige Visionen Drexlers erklären, es bleiben trotzdem viele Zweifel an der Realisierbarkeit etlicher Projekte. Ein gern zitiertes Beispiel hierfür ist der so genannte Nanomotor aus metallischen Stoffen. An seiner Realisierbarkeit wird nicht grundlegend gezweifelt. Es glaubt jedoch bisher niemand ernsthaft daran, dass so ein Gerät jemals ordentlich funktionieren wird. Die Wissenschaft geht heute davon aus, dass durch Absetzen von Feuchtigkeit aus der Atmosphäre auf einem derartigen Motor ein Wasserfilm gebildet würde. Dieser müsste dann zwangsläufig binnen kürzester Zeit zum Versagen des Motors führen. Der relativ dünne Oxidfilm, der bei Metallen, wie Aluminium, Eisen oder Stahl bei Kontakt mit der Luft entsteht, stört bei herkömmlichen Werkstücken meist überhaupt nicht. Bei Nanometallen jedoch, verhält sich das ganz anders. Deshalb wäre der Nanomotor nur dann funktionsfähig, wenn er nicht aus oxidationsfähigem Material bestünde. Soweit der heutige Kenntnisstand.

Bislang kamen Nanopartikel in Farben, Lacken und Sonnencremes zum Einsatz. Die regenerative Medizin hofft nun darauf, dass mit ihrer Hilfe sogar verlorengegangene Organfunktionen wiederhergestellt werden könnten. Noch ist nicht erschöpfend erforscht, welche positiven oder negativen Eigenschaften Nanopartikel haben, vermutlich ist dies auch immer eine Frage des Materials: chemisch hergestellte Kunststoffe aller Art oder auch winzige Metallpartikel kommen für den Einsatz in der Medizin in Frage.

Vor allen in den Vereinigten Staaten wird in diese Richtung eifrig geforscht. Vorreiter ist beispielsweise das Institute for BioNanotechnology in Chicago.  Furore machte bislang ein „Knorpel-Gel“, das die Knorpelsubstanz in arthrosegeschädigten Gelenken zu neuem Wachstum anregen soll, der Zulassungsprozess läuft derzeit. Des Weiteren wurden mit Hilfe spaghetti-förmiger Nanofäden mit speziell angeordneten Strukturen Stammzellen an bestimmte Stellen im Körper verbracht, um dort zu wirken.

Mit relativ einfachen chemischen Prozessen ist es bereits gelungen, körpereigene Proteine zu imitieren, die im Organismus entsprechende Reaktionen auslösen. So befassen sich neueste Versuche mit der Wiederherstellung von Blutgefäßen, ein Verfahren, dass auch in der Gefäßchirurgie Anwendung finden könnte. Dabei kommt ein Nanoprotein zum Einsatz, das den körpereigenen Rezeptoren vorspielt, ein Signalprotein zu sein. Sie lösen damit eine Kettenreaktion im Organismus aus, die die Angiogenese, die Bildung von neuen Blutkapillaren, in Gang setzt. Der Vorteil gegenüber dem Einsatz des echten, isolierten Signalproteins VEGF: Die Nanostrukuren sind einfach und kostengünstig auf chemischen Wege herstellbar, leicht zu injizieren und bleiben im Körper länger wirksam.

Im Tierversuch wurde dieses Verfahren an Mäusen erprobt, die massive Durchblutungsstörungen in den Gliedern hatten. Nach der Behandlung waren teilweise bis zu 80% der normalen Durchblutung wieder hergestellt. Ließe sich dieses Verfahren auf den Menschen übertragen, ergäbe dies zahllose Möglichkeiten bei diversen Herz-Kreislauferkrankungen oder auf dem Gebiet der Organtransplantation.

In Chicago arbeitet man nun daran, noch komplexere Nano-Strukturen zu entwickeln. Hirntumore werden in der Berliner Charité bereits erfolgreich mit einer anderen Art der Nanotechnologie behandelt: Heiße, nanometergroße Metallteilchen sind nämlich in der Lage, einen Gehirntumor zu zerstören.

Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit gründete im Jahre 2006 eine s.g. Nanokommission. Diese fungiert als Beratungsgremium und zeigt mögliche Chancen und Risiken der Nanotechnologie für Gesundheit und Umwelt auf. Der ehemalige Staatssekretär Wolf-Michael Catenhusen leitet das Gremium, welches aus Vertretern aus Wirtschaft, Wissenschaft, Ministerien, und Umwelt- und Verbraucherschutzorganisationen besteht. Der ehemalige Bundesumweltminister Sigmar Gabriel rief zum Nano-Dialog auf. Mehrere Expertengruppen mit über einhundert Experten stellten der Bundesregierung Empfehlungen zum weiteren Vorgehen zusammen. Dieses Papier wurde am 02. Februar 2011 veröffentlicht.

Unbestritten ist, dass die Nanotechnologie und ihre Produkte in der Öffentlichkeit immer bekannter werden. Waren es 2004 gerade 15%, die mit dem Begriff Nanotechnologie etwas anfangen konnten, waren es 2007 schon 52%. Die Allgemeinheit steht dem Thema sehr aufgeschlossen gegenüber. Sie sind der Meinung, dass die Chancen größer seien, als die eventuellen Risiken. Vor allem in der Medizin wird der Einsatz nanotechnologischer Produkte besonders befürwortet. Nano in der Nahrung hingegen, stehen die meisten der Befragten ablehnend gegenüber.

Mitte 2011 wurden auf mehrere Wissenschaftler aus dem Nano-Bereich einige Anschläge verübt. Dabei gab es auch Verletzte. Betroffen waren vor allem Mitarbeiter des Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey und Instituto Politécnico Nacional. Zu den Anschlägen bekannte sich eine Gruppe militanter Nanopartikel-Gegner. Am 23.August 2011 veröffentlichten sie ein Manifest, in dem sie ihre Bedenken offen äußerten und das sofortige Einstellen aller Aktivitäten forderten. Diesen Beitrag weiterlesen »

Gegen Ende der 1990er Jahre begannen sich sowohl die Medien, als auch die Öffentlichkeit verstärkt für die Errungenschaften und zukünftigen Ziele der Nanotechnologie zu interessieren. In dem Zusammenhang wird auch noch heute gern von einer „dritten industriellen Revolution“ gesprochen. Plötzlich tauchten viele kritische Stimmen auf. Auslöser hierfür war ein Artikel im Magazin „Wired“ von Bill Joy. Hierin schildert der Autor mit drastischen Worten die weitreichenden Folgen von Robitk, Gentechnik und Nanotechnologie und fordert die sofortige Einstellung sämtlicher Aktivitäten auf diesen Gebieten. Das Thema wurde bald zu einem Politikum und äußerst kontrovers diskutiert. Zahlreiche Papiere und angebliche Beweise wurden herbeizitiert, die den Verzicht auf o.g. Technologien bekräftigen sollten. Die Meinungen gingen hier teilweise weit auseinander. Diesen Beitrag weiterlesen »

Weiter fortschreitende Miniaturisierung in der Optik und Halbleiterelektronik sowie industriell beherrschbare Prozesse bei der Herstellung völlig neuer Werkstoffe, sind derzeit erklärte Ziele der Nanotechnologie. Nanopartikel für die Medizin, mit dem Effekt schneller Diagnostik und effektiver Therapie, sind weitere Aufgabenbereiche, an denen intensiv geforscht und entwickelt wird. Ob Kontrastmittel für die Computertomographie oder neuartige Medikamente, welche Nanopartikel enthalten um in der Krebstherapie erfolgreicher zu werden oder die Herstellung langlebiger, biologisch verträglicher Implantate, die Medizin stellt ein fast unüberschaubares Forschungsgebiet dar. Diese Fachrichtung wird seit einiger Zeit auch als Nanobiotechnologie bezeichnet. Diesen Beitrag weiterlesen »

Man kann heute sagen, dass sämtliche Naturwissenschaften mit ihren vielen verschiedenen Fachgebieten an der Weiterentwicklung der Nanotechnologie beteiligt sind. Kenntnisse der Physik werden schon allein für die Planung und den Bau der Mikroskope benötigt. Nur mit Hilfe dieser hochauflösenden Geräte sind die Gesetze der Quantenmechanik nachvollziehbar. Um die Materien-Struktur herausfinden zu können, bedient man sich der Erkenntnisse der Chemie. Schließlich sollen bestimmte Nanopartikel medizinisch eingesetzt werden und bei der Bekämpfung von Krankheiten mitwirken. In der DNA-Forschung kann auf den Einsatz der Nanotechnologie gar nicht mehr verzichtet werden. So lassen sich beispielsweise DNA-Kristalle sehr gut mit konventionellen Technologien, wie sie beispielsweise die Polymerase-Kettenreaktion darstellt, hervorragend manipulieren. Diesen Beitrag weiterlesen »

Pigmente und zahlreiche andere Zusatzstoffe in Kunststoffen oder Lacken werden mit Hilfe nanotechnologischer Prozesse hergestellt. Das können beispielsweise Ruß oder hochdispersive Kieselsäuren sein. Derartige Produkte gibt bereits seit über 40 Jahren. Im Zuge des allgemeinen Hypes und Medienrummels um den innovativen Begriff „nano“ jedoch, bekommen sie kurzerhand im Nachhinein eine entsprechende Vorsilbe. Diesen Beitrag weiterlesen »

Die meisten in der Nanotechnologie genutzten Effekte, wurden der Natur nachempfunden. Beispielsweise können Fliegen an Wänden und Decken entlanglaufen, weil sie Nanometer große (bzw. kleine) Härchen an den Beinen besitzen, die eine perfekte Haftung ermöglichen. Ebenfalls sehr bekannt ist fast jedem der so genannte Lotuseffekt. Für das Abperlen des Wassers vom Blatt der Lotusblume sind nämlich feine Nanostrukturen verantwortlich. Diese verhindern zusätzlich das Anhaften von Schmutz-Partikeln. Auch von Muscheln wurde sich einiges abgeschaut. Im Kalk der Muschelschalen stehen organische und anorganische Partikel derart eng zusammen, dass diese Schalen außerordentlich stabil und belastbar sind. Auch in menschlichen Knochen lässt sich dieses Phänomen nachweisen. Bei Untersuchungen verschiedenster Brände wurde festgestellt, dass dabei immer unzählige Nanopartikel freigesetzt werden.

So wie Eric Drexler die Nanotechnologie beschreibt, ist sie bis heute sehr umstritten. Vielleicht ist sie jedoch gerade auch deshalb derart interessant und übt eine ungebrochen große Faszination auf viele Wissenschaftler aus. Die Fürsprecher behaupten, eine entwickelte Nanotechnologie würden den materiellen Wohlstand der gesamten Menschheit sichern können. Es wäre kein Problem mehr, das Weltall zu besiedeln und die Menschheit könnte unendlich fortbestehen. Die Gegner argumentieren jedoch ganz anders. Sie sehen durch den Missbrauch der Ergebnisse aus der Nanoforschung, eine erhöhte Katastrophengefahr. Der weltweite Terrorismus würde zunehmen, dies wiederum hätte totalitäre Staatsformen zur Folge. Bei Missbrauch der Gentechnik wäre das gesamte Bild Menschheit in Gefahr und sie würde schlimmstenfalls untergehen. Solche Horrorvisionen sind oft Bestandteil von Science-Fiction-Romanen oder –Filmen. Die Helden erleiden darin alle nur denkbaren negativen Folgen eines Missbrauchs dieser Technologie. Selbst die Wissenschaftler, die sich der negativen Denkweise nicht unbedingt anschließen, finden die Visionen von Eric Drexler übertrieben. Der eine oder andere wird ihn sogar als Science-Fiction–Autor belächeln. Diesen Beitrag weiterlesen »