Aufbruch in die Nanowelt

Um Brot zu backen, braucht es Getreide – doch erst zu Mehl zerkleinert zeigen Roggen-, Weizen- oder Haferkörner jene für den Bäcker wichtigen Eigenschaften. Materialwissenschaftler verfolgen eine ähnliche Strategie: Vor allem seit sie in die Nanowelt vorgestoßen sind, haben sich ihnen völlig neue Möglichkeiten eröffnet. Die hier relevanten Strukturen sind gerade einmal zwischen einem und 100 milliardstel Meter groß. Im Kosmos der Nanopartikel scheint vieles auf den Kopf gestellt: Isolatoren leiten plötzlich Strom, sonst stabile Substanzen verbrennen, chemisch träge Stoffe wie Gold werden zu leistungsstarken Katalysatoren.

FÄHREN IM NANOMASSSTAB

Das ist im Grunde leicht zu verstehen. Ein Materiekubus mit einer Kantenlänge von ­einem milliardstel Meter (Nanometer) besteht im Schnitt aus nur 64 Atomen. Lediglich acht davon befinden sich aber in seinem Innern, die anderen 56 sitzen an der Oberfläche. Mit anderen Worten: Die meisten sind Oberflächenatome, die andere Eigenschaften besitzen als die Atome im Innern. Deshalb haben altbekannte Materialien plötzlich unerwartete Eigenschaften, sobald man sie fein genug zerkleinert.

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Bild 1 | Ein Dendrimer. Dieses verästelte Makromolekül besteht aus 5592 Benzol-Untereinheiten. Solche... [mehr]

Bild 1 | Ein Dendrimer. Dieses verästelte Makromolekül besteht aus 5592 Benzol-Untereinheiten. Solche maßgeschneiderten Dendrimere können etwa als Träger für pharmazeutische Wirk-stoffe oder als fluoreszierende Farbstoffe eingesetzt werden⁵. [weniger]

Bild 1 | Ein Dendrimer. Dieses verästelte Makromolekül besteht aus 5592 Benzol-Untereinheiten. Solche maßgeschneiderten Dendrimere können etwa als Träger für pharmazeutische Wirk-stoffe oder als fluoreszierende Farbstoffe eingesetzt werden⁵.

© Klaus Müllen, Max-Planck-Institut für Polymerforschung

© Klaus Müllen, Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Organische Nanoteilchen – also solche, in denen Kohlenstoffatome vorkommen – lassen sich so regelrecht auf neue Funktionen zuschneidern (Bild 1). Sie dienen zum Beispiel als Farbstoffe, zum Markieren von Molekülen, was etwa in der Krebsdiagnostik eine Rolle spielt, als Transportvehikel für pharmazeutische Wirkstoffe im Körper¹ oder als »Genfähren«² zum Einschleusen von Erbsubstanz in Zellen.

Anorganische Nanopartikel (solche ohne Kohlenstoffatome) setzen Forscher bereits heute ein, um Werkstoffeigen­schaften zu verbessern. Ein Beispiel für ein solches Nanokomposit ist ein jüngst entwickelter verformbarer und dennoch hoch­­fester Stahl. Wie üblich wird er bei der Herstellung durch Erhitzen gehärtet, gleichzeitig werden in sein Kristallgitter nanometergroße Partikel von Nickel, Titan und Molybdän eingebaut. Die zusätzlichen Partikel sorgen für extreme Festigkeit, auch wenn sie nur ein oder zwei Prozent des Gesamtgewichts ausmachen (Bild 2). Mit solchen Stählen lassen sich Leichtbauweisen verwirklichen, die etwa in der Automobiltechnik zum Einsatz kommen. Weil diese Materialien extrem belastbar sind, kommen die Ingenieure mit geringeren Mengen aus. Die Fahrzeuge werden dadurch leichter, verbrauchen weniger Treibstoff und produzieren weniger Kohlendioxid.