Hilfreiche Zwerge

Hohe Kratzfestigkeit, selbstreinigende und keimtötende Eigenschaften, verschwindende Fingerabdrücke oder ungewöhnliches Farbenspiel sind nur einige der maßgeschneiderten Eigenschaften, die eine neue Vielfalt von Anwendungen ermöglichen. Funktionelle und dekorative Oberflächen im Innen- und Außenbereich setzen innovative Akzente und schaffen unerwartete Möglichkeiten. Die Nanotechnologie (vom griechischen nanos, d. h. Zwerg) ist heute in aller Munde. Kaum eine Woche vergeht, ohne dass die Wissenschaftsteile der führenden Zeitschriften und Tageszeitungen diesem Thema nicht einen Beitrag widmeten. Kein Politiker, der über Innovation und die Zukunft des Standortes spricht, vergisst, die Nanotechnologie zu erwähnen. Die meisten Industrienationen wenden einen erheblichen Teil ihrer öffentlichen Fördermittel zur Unterstützung der Nanowissenschaften auf. Neue Zentren und Institute, die den Terminus „Nano“ im Namen führen oder die Nanotechnologie als ihren Schwerpunkt angeben, entstehen an vielen Orten. Regionale, nationale und internationale Nanotechnologie-Netzwerke werden gebildet. Ein Nanotruck rollt durch die Bundesrepublik, um die Öffentlichkeit über die Potenziale dieser neuen Technologie zu informieren. Auch die Science-Fiction-Literatur hat die Nanotechnologie als Thema entdeckt, zahlreiche populärwissenschaftliche Bücher widmen sich dem Thema und ein beliebtes Wissenschaftsmagazin im deutschen Fernsehen nennt sich schlicht „nano“. Dennoch ist das Wissen um die enormen Möglichkeiten, die diese junge Technologie zur Lösung von Problemen in den verschiedensten Bereichen der Wirtschaft und des alltäglichen Lebens bietet, noch lange kein Allgemeingut. Außerhalb der Fachwelt scheint noch immer wenig Klarheit darüber zu bestehen, was genau Nanotechnologie ist und was sie letztlich für den Verbraucher leisten kann. Für viele Laien haftet dem Begriff nach wie vor etwas Exotisches an und sie meinen, dass Nanotechnologie erst in ferner Zukunft Einfluss auf ihren Alltag haben wird.

Sicherlich wird diese Einschätzung dadurch begünstigt, dass die Nanotechnologie ein sehr weites Feld darstellt. Genau betrachtet, ist der Begriff Nanotechnologie sogar unkorrekt, denn es gibt in Wirklichkeit sehr viele verschiedene Nanotechnologien. Den Beruf des Nanotechnologen hingegen gibt es nicht – es sind Chemiker, Physiker, Materialwissenschaftler, Ingenieure, Biologen und Mediziner, die gemeinsam in interdisziplinärer Arbeit das Studium der Nanowelt für die verschiedensten Anwendungsbereiche betreiben: für Elektronik und Informationstechnologie, für Automobilbau und Energiewirtschaft, für Pharmazie und Medizintechnik. Aufgrund dieser Breite ist selbst eine strikte Definition der Nanotechnologie schwierig. Man hat sich darauf geeinigt, unter dem Begriff all jene Aktivitäten zusammenzufassen, die sich mit der Untersuchung, Erzeugung und Manipulation von Objekten und Strukturen befassen, die in mindestens einer Dimension in der Größenordnung von 1 bis 100 Nanometern liegen, wobei ein Nanometer dem milliardsten Teil eines Meters entspricht. Ein oft verwendeter und doch stets verblüffender Vergleich hilft, diese Größe begreifbar zu machen: der Durchmesser eines Nanopartikels verhält sich zu dem eines Fußballs in etwa wie dieser zu dem der Erdkugel! Die Nanowelt ist deshalb so überaus interessant, weil viele Stoffe hier nicht mehr ihre aus der Makrowelt vertrauten physikalischen Eigenschaften zeigen, sondern sie in Abhängigkeit von der Partikelgröße auf vielfältige Weise verändern. Aus Nanopartikeln hergestellte Materialien verfügen darum über eine Vielzahl neuartiger Eigenschaften, die völlig neue Produkte ermöglichen und Qualität, Lebensdauer und Leistung existierender Produkte wesentlich verbessern können. Dies gilt auch ganz besonders für den Bereich Architektur, Glas und Möbel. In diesen Branchen spielen Oberflächen eine große Rolle, die zum einen starken Beanspruchungen durch klimatische Einflüsse oder die tägliche Benutzung ausgesetzt sind, von denen aber andererseits stets ein makelloses Erscheinungsbild und eine uneingeschränkte Funktionalität erwartet wird. Die Nanotechnologie bietet hier zahlreiche neuartige Ansätze der Veredelung und des Schutzes. Einige Beispiele sollen dies im Folgenden verdeutlichen. Sie alle entstammen einem besonderen Zweig der Nanotechnologie, nämlich der so genannten Chemischen Nanotechnologie, die chemische Methoden zur Herstellung von Nanopartikeln und deren Verarbeitung zu Beschichtungen und neuen Werkstoffen benutzt.

Nanopartikel haben eine Größe, die deutlich unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes liegt, d. h., sie streuen das Licht nicht, sind also praktisch unsichtbar. Das erlaubt, transparente Beschichtungen aus ihnen herzustellen: Glas bleibt durchsichtig, Substratmaterialien wie Edelstahl oder Kunststoff werden in ihrem Erscheinungsbild nicht verändert. Andere Materialeigenschaften, wie beispielsweise keramische Härte, bleiben den Partikeln jedoch wiederum erhalten und können in die Beschichtung eingebracht werden. Es ist also z. B. möglich, mit Hilfe einer transparenten Schicht, die keramische Nanopartikel enthält, die Kratzfestigkeit von Kunststoff oder Metallen wesentlich zu erhöhen. Das kann von großem Nutzen sein, wenn man an Schulbänke, Parkettfußboden oder auch an dekorative Edelstahl- oder Aluminiumflächen an Büromöbeln denkt. Die häufig hohe Chemikalienbeständigkeit solcher Materialien legt auch den Einsatz bei Labormöbeln nahe.

Silber-Nanopartikel, die in eine Beschichtung eingebunden sind, geben langsam aber stetig Silberionen an die Oberfläche ab. Diese besitzen die Fähigkeit, dort anhaftende Bakterien abzutöten. Bekannt ist dieser Effekt zwar schon seit langem vom Silberbesteck, doch dank Nanotechnologie braucht man nur winzige Mengen an Silber, um einer Oberfläche keimtötende Eigenschaften zu verleihen, zum anderen ist die Beschichtung transparent und verändert somit die Anmutung des beschichteten Materials nicht. Weiterhin ist es möglich, solchen keimtötenden Oberflächen zusätzlich antiadhäsive Eigenschaften zu verleihen, die ein Anhaften toter Bakterien, welche als Nährboden für eine weitere Besiedelung dienen könnten, verhindern. Besonders attraktiv sind derartige Beschichtungen für den medizinischen Bereich. Betten, Möbel, Gefäße, Türklinken und Apparaturen in Krankenhäusern könnten so mit einem zusätzlichen Schutz versehen werden. Regelmäßige Desinfektion kann durch diese Beschichtungen nicht ersetzt werden, sie haben jedoch das Potenzial, den Reinigungsaufwand zu reduzieren und eine erhöhte Sicherheit zu bieten. Neben dem Krankenhaus kommen aber auch alltäglichere Einsatzgebiete in Frage, z. B. der Sanitärbereich oder auch Computer-Tastaturen.

Fensterscheiben und Fassadenverkleidungen, die nur Sonnenlicht und Regenwasser brauchen, um stets sauber zu bleiben – dank Nanotechnologie ist auch dies keine Zukunftsmusik mehr. Der Effekt, der hier genutzt wird, ist die photokatalytische Eigenschaft von Titandioxid. Diese Substanz, die seit Jahrzehnten in großen Mengen als weißes Pigment produziert wird, kann durch ultraviolette Bestrahlung in einen aktivierten Zustand überführt werden, in dem sie dazu in der Lage ist, nahezu jede denkbare Verschmutzung zu zersetzen und über mehrere Stufen zu so einfachen Verbindungen wie Kohlendioxid und Wasser abzubauen. Außerdem sind solche aktivierten Beschichtungen superhydrophil, d. h. hervorragend von Wasser benetzbar: dieses fließt in Form eines geschlossenen dünnen Films über die Oberfläche und spült Schmutz oder Abbauprodukte problemlos hinweg. Die Verwendung von Titandioxid in Form von Nanopartikeln sichert nicht nur Transparenz, sondern macht den Katalysator aufgrund der größeren Gesamtoberfläche (viele kleine Partikel haben gemeinsam wesentlich mehr Oberfläche als ein großer Partikel) deutlich effektiver. In Japan kann man bereits seit einigen Jahren zahlreiche architektonische Anwendungen dieser Technologie besichtigen, aber auch führende europäische Glashersteller setzen bereits auf die Photokatalyse. Da zur Aktivierung des Photokatalysators ultraviolettes Licht benötigt wird, sind mögliche Anwendungen bislang auf den Außenbereich beschränkt. Der UV-Anteil des Kunstlichts in Innenräumen ist zu gering, um einen erwähnenswerten Reinigungseffekt zu erzielen. Zahlreiche Wissenschaftler arbeiten jedoch intensiv daran, Titandioxid durch Dotierung mit anderen Materialien so zu modifizieren, dass es auch von sichtbarem Licht aktiviert werden kann. Erste Durchbrüche wurden bereits gemeldet. Wann solche Systeme Anwendungsreife erreichen, bleibt abzuwarten.

Nanotechnologie bietet aber auch alternative Möglichkeiten, Oberflächen weitestgehend schmutzfrei zu halten. So können mit Hilfe der Chemischen Nanotechnologie auch so genannte Easy-to-clean-Beschichtungen erzeugt werden. Diese verbinden die wasser- und lösungsmittelabweisenden Eigenschaften fluorierter Polymere (wie Teflon) mit Transparenz und deutlich erhöhter Abriebfestigkeit. Schmutz haftet an diesen Flächen sehr schlecht, Farben und Lacke – z. B. Graffiti – können leicht entfernt werden. Werden solche Oberflächen zusätzlich mit winzigen Strukturen im Mikrometer- oder Nanometerbereich versehen, so nehmen sie superhydrophobe, d. h. extrem wasserabweisende, Eigenschaften an. Wasser benetzt die Oberfläche nicht mehr, sondern rollt bei geringster Neigung in kugelförmigen Tropfen ab, wobei es Schmutzpartikel an der Tropfenoberfläche anlagert und mitreißt. Nach diesem Prinzip hält auch das Lotus-Blatt seine Oberfläche rein. Die Einsatzmöglichkeiten künstlicher superhydrophober Materialien, speziell im Außenbereich, sind allerdings bislang noch begrenzt.

Ein leidiges Problem bei glänzenden Metalloberflächen sind Fingerabdrücke. In kürzester Zeit können sie das gediegene Erscheinungsbild von Aufzugtüren, Möbeln, Geländern oder Armaturen aus Edelstahl verderben. Auch hier weiß Nanotechnologie Abhilfe zu schaffen. Durch die raffinierte Einstellung der Streuungseigenschaften von Beschichtungen kann das Licht so gelenkt werden, dass Fingerabdrücke unsichtbar bleiben.

Wie eingangs erwähnt, ändern Stoffe bei Partikelgrößen unterhalb von 100 nm vielfach physikalische Eigenschaften. Ein besonders illustratives Beispiel ist die Eigenschaft Farbe. Stellt man Gold-Nanopartikel mit einer Größe von ca. 10 nm her, so funkelt ihr Sol (so nennt man eine Lösung von nanoskaligen Partikeln) nicht golden, sondern beeindruckt durch einen leuchtend roten Farbton. Die so genannten Goldrubingläser in mittelalterlichen Kirchenfenstern basieren auf diesem Effekt, doch erst heute kennt man die physikalischen Hintergründe seiner Entstehung. Mit alternativen Prozeduren kann man auch Gold-Nanopartikel anderer Größen erzeugen, die dann violett oder tiefblau erscheinen, und dieses Spiel mit Größen und Farben, das man heute sehr genau steuern kann, ist nicht auf Gold beschränkt. Mit Beschichtungen auf Basis dieses Prinzips können eindrucksvolle dekorative Effekte bei den verschiedensten Produkten erzielt werden, seien es Scheiben, Glasskulpturen, Beleuchtungselemente oder Kacheln.

Zu diesen Beispielen ließen sich zahllose weitere hinzufügen, von neuen Leichtbaumaterialien zu schwerentflammbaren Bindern für Naturfasern, von neuartigen Brandschutzfenstern zu chromfreien Alternativen für den Korrosionsschutz.

Alle hier vorgestellten Beschichtungen können meist mit gängigen Techniken wie Sprühen, Tauchen, Schleudern oder Fluten in herkömmlichen Anlagen appliziert werden. Die Härtung kann durch UV-Licht oder thermisch bei Temperaturen zwischen 70 °C und 600 °C erfolgen. Sie können auf den verschiedensten Substratmaterialien wie Metall, Glas, Keramik, Kunststoff, Holz, Leder und Textilien Anwendung finden. Trotzdem sind in vielen Fällen noch anpassende Entwicklungsschritte nötig. Die meisten Nanotechnologie-Unternehmen verstehen sich folglich nicht allein als Lieferanten von Lacken, sondern als Dienstleister, die maßgeschneiderte Gesamtlösungen für Problemstellungen anbieten.

Die Nanotechnologie ist eine Hochtechnologie, die mit dem Know-how hochqualifizierter Experten Mehrwert durch Innovationen schafft. Der Entwicklungsaufwand ist aber mehr als gerechtfertigt durch den zusätzlichen Nutzwert, den diese Hightech-Materialien für das Produkt generieren und der sich auch dem Endkunden überzeugend vermitteln lässt. Natürlich macht dies derartige Beschichtungen besonders für große Glas-, Baustoff- oder Möbelhersteller interessant.

In Zeiten von Preiskampf und globaler Lohnkonkurrenz sind Qualität und Innovation essentielle Voraussetzungen für Erfolg im Wettbewerb. Nanotechnologie kann wesentlich dazu beitragen, beide zu gewährleisten. ■

Das Leibniz-Institut für Neue Materialien gGmbH (INM) in Saarbrücken wurde 1987 gegründet und gilt mit über 130 Patenten als international führende Forschungseinrichtung auf dem Gebiet der Chemischen Nanotechnologie. Zu allen in diesem Artikel vorgestellten Themen hat das INM wesentliche wissenschaftliche Beiträge geleistet. Alleinstellungsmerkmal des INM ist die Kombination von Grundlagenforschung, Technologieentwicklung und Verfahrenstechnik bis hin zu Pilotanlagen und Kleinserienproduktion unter einem Dach. Bislang wurden über 400 Industrie-Projekte am INM durchgeführt. Der Technologietransfer zum Kunden erfolgt über Lizenzierung, Public-Private Partnerships oder Ausgründungen. Zu letzteren gehören u. a. Nano-X, Nanogate und Viking Advanced Materials, die auch Lösungen für den Architekturbereich anbieten. Das INM leitet auch das Kompetenzzentrum CC-NanoChem, ein bundesweites Netzwerk von Anbietern und Anwendern der Chemischen Nanotechnologie, das zurzeit ca. 200 Mitglieder umfasst.