17.10.2014

Neuigkeiten aus der Nanoforschung (3)

Analyse von Thilo Spahl

Indem wir in den Bereich von wenigen Millionstel Millimetern – Nanometern – vorstoßen, ergeben sich für uns grundsätzlich neue technische Möglichkeiten. Ein weiterer Beitrag unserer Reihe die einen kleinen Einblick in die vielfältige Forschung auf diesem Gebiet geben soll.

Nanonobelpreis

Laut der üblichen Definition wird Nanotechnologie als die Erforschung und Manipulation von Strukturen und Partikeln bezeichnet, die sich im Bereich unter 100 Nanometern bewegen. Das Dumme daran: Mit normalen Mikroskopen kann man nichts mehr scharf darstellen, was kleiner als die Hälfte der Wellenlänge sichtbaren Lichts ist und damit in der Größenordnung von 200 Nanometern. Deshalb hat der diesjährige Nobelpreisträger für Chemie, Stefan W. Hell, Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen, aus der Mikroskopie die Nanoskopie gemacht, indem er das STED-Mikroskop erfunden hat (STED = Stimulated Emission Depletion). Im Gegensatz zum Elektronenmikroskop können damit auch Strukturen in lebenden Zellen untersucht werden.

Ebenfalls der Nanotechnologie zurechnen lässt sich die Erfindung der blauen LEDs durch die Nobelpreisträger für Physik Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura. Diese waren deshalb so wichtig, weil über sie (durch Mischen mit rot und grün) auch weißes Licht mit den sehr energiesparenden LEDs erzeugt werden kann, das heute, rund 20 Jahre nach der Erfindung, im Alltag angekommen ist. Angesichts der Tatsache, dass die besten weißen LEDs heute fast 20 mal effizienter sind als konventionelle Glühbirnen und 100 mal länger halten, sind die Einsparpotenziale enorm. [1]

Unter Wasser atmen

Dänische Forscher haben ein Material auf Basis von Kobalt erzeugt, das große Mengen Sauerstoff aufnehmen und wieder abgeben kann. Ein Löffel genügt, um den ganzen Sauerstoff, der in einem normalen Zimmer ist, aufzusaugen. Das Material reagiert nicht mit dem Sauerstoff, sondern nimmt ihn nur auf, vergleichbar mit dem Hämoglobin, das für den Sauerstofftransport im Blut zuständig ist. Damit der Sauerstoff wieder abgegeben wird, muss das Material erwärmt oder in eine sauerstoffarme Umgebung gebracht werden. Nützlich wäre es zum Beispiel für Patienten mit beeinträchtigter Lungenfunktion, die Sauerstoff mit sich herum tragen müssen, für Brennstoffzellen im Auto oder zum Tauchen ohne Sauerstoffflasche. Die Erfinderin Christine McKenzie hält es für möglich, dass das Material auch aus Wasser Sauerstoff aufnehmen und Tauchern in konzentrierter Form zur Verfügung stellen kann. [2]

Unter Wasser lesen

Das Konkurrenzmodell zum Kindle von Amazon, der E-Reader Tolino, wird nun mit einer Nanobeschichtung aufgerüstet, die ihn absolut strand- und badewannentauglich macht und auch einen Abstecher ins Wasser überstehen lässt. Die Technologie kommt von der US-Firma HZO. Statt ein dichtes Gehäuse zu bauen, wird mit einer Nanobeschichtung direkt die empfindliche Elektronik im Innern des Geräts geschützt. Über Details der Beschichtung macht das Unternehmen auf seiner Website keine Aussagen. [3]

Aber auch der Kindle hat bereits Nanotechnik an Bord. Das Display des Kindle Fire HDX 7 setzt auf Quantenpunkte (quantum dots) der Firma Nanosys. Das sind sozusagen kleine Käfige, in die Elektronen eingeschlossen werden. Jedes Display enthält Billionen davon. Mit ihrer Hilfe kann Licht aus blauen LEDs (s.o.) in jede beliebige Farbe umgewandelt werden. Die Displays sind gleichzeitig sehr hell und sehr farbig, zudem sehr energieeffizient. [4]

Impfen mit Nanocreme

Forscher des Helmholtz-Instituts für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) und des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) haben eine Methode entwickelt, um in Nanopartikel auf Milchsäurebasis verpackte Impfstoffe statt mit einer Spritze einfach durch Auftragen von etwas Creme verabreichen zu können. Grundsätzlich bildet die Haut eine sehr effektive Barriere gegen Eindringlinge aller Art, auch wenn sie, wie etwa Viren, nur nanoskalig groß, also extrem klein, sind. Die beladenen Partikel finden dennoch ihren Weg in den Körper, und zwar über die Haarfollikel, die offensichtlich eine Schwachstelle darstellen, die sich in diesem Fall als sehr nützlich erweisen könnte. [5]

Grüner Beton

Wir produzieren jährlich 20 Milliarden Tonnen Beton. Beton ist einfach nur eine Mischung aus Sand, Kies, Wasser und Zement. Zement wird hergestellt, indem man Kalk und Ton bei 1500 Grad kocht und das Ergebnis hinterher zu Staub zermahlt. Beton ist also zwar von ungeheurer Bedeutung für die moderne Welt, doch nicht gerade Hightech und scheint mit Nanotechnologie denkbar wenig zu tun zu haben. Aber natürlich kann man auch etwas so Grobes wie Beton unter die Lupe nehmen und in seinen feinsten Strukturen analysieren. Das haben Forscher vom MIT in Boston und vom CNRS in Marseille getan. Bei ihrer Nanoanalyse kamen sie zum Ergebnis, dass man ein besseres Resultat erhielte, wenn das Verhältnis von Calcium zu Silizium nicht wie üblich etwa 1,7, sondern besser 1,5 betragen würde. Das Ergebnis wäre ein härterer und haltbarerer Beton, bei dessen Produktion zudem mehr als die Hälfte weniger CO2 freigesetzt würde. [6]

Härter als Diamant

Das härteste bekannte Material ist bekanntlich Kohlenstoff in der spezifischen Form des Diamanten. Glücklicherweise können wir seit 60 Jahren weiches Graphit durch hohen Druck bis zu 60.000 bar und Erhitzen auf 1500 Grad in Diamant verwandeln. Da menschengemacht, ist dieser Diamant viel weniger wert als aus der Erde gegrabener, dafür aber weitaus nützlicher, zum Beispiel zum Bohren großer Tunnels. Es geht aber nicht nur billiger als von Natur aus, es geht auch noch härter. Winzige, aus 60 Atomen bestehende, kugelförmige Kohlenstoffmoleküle (Fullerene) lassen sich zu einem Material verbinden, das bis zu doppelt so hart sein kann wie Diamant. Leider war dazu bisher ein Druck von 130.000 bar notwendig und damit eine Produktion im größeren Maßstab nicht möglich. Forscher vom Technological Institute for Superhard and Novel Carbon Materials in Troizk haben nun einen Weg gefunden, durch Zusatz von Kohlenstoffdisulfid das Fullerit bei nur 80.000 bar und Zimmertemperatur zu erzeugen. [7]

Eisfreie Scheiben

Dank eines Materials aus Graphennanobändern, das Forscher der Rice University entwickelt haben, lassen sich Scheiben mit einem 50–200 Nanometer dünnen, unsichtbaren Geflecht überziehen. Legt man eine Spannung an, entsteht eine Scheibenheizung, die 200- bis 1000-mal dünner ist als ein menschliches Haar und Eisbildung zuverlässig verhindert. [8]