mini|400px| TEM(a, b, and c) Bilder von präparierten Nanopartikeln mit Kantenlängen: (a) 20 nm, (b) 45 nm, und (c) 80 nm. SEM (d) wie (b). Starke Vergrößerung von Polymethylsiloxanpolyhydrat. Der Begriff Nanopartikel, auch Nanoteilchen, bezeichnet Verbünde von einigen wenigen bis einigen tausend Atomen oder Molekülen. Der Namensbestandteil Nano verweist auf die Maximaldurchmesser der Partikel, der typischerweise bei 1 bis 100 Nanometern (nm) liegt. Nanopartikel sind gemäß ISO/TS 27687:2008ISO/TS 27687:2008. Nanotechnologies – Terminology and definitions for nano-objects – Nanoparticle, nanofibre and nanoplate. Nanoobjekte mit drei äußeren Dimensionen. Nanopartikel können aus unterschiedlichen Stoffen bestehen und eine Umweltbelastung darstellen. Nanopartikel aus Kunststoff, die kleiner als Mikroplastik sind, werden Nanoplastik genannt.Nanoplastik in der Umwelt, Bundesministerium für Bildung und Forschung, abgerufen am 19. Januar 2022.
Für Nanopartikel gibt es viele mögliche Anwendungsgebiete. So könnten sie z. B. zur Verbesserung diverser Materialien im Haushalt genutzt werden. In der Medizin könnte man mit Hilfe von Nanopartikeln einen zielgerichteten Transport von Medikamenten im Körper oder eine schonendere Form der Krebstherapie erzielen. Auch in der Elektrotechnik könnten Nanopartikel dazu beitragen, z. B. leistungsfähigere und kleinere Computer zu ermöglichen.
Das hohe Nutzenpotential hat einen drastischen Anstieg in Herstellung und Anwendung der unterschiedlichsten Arten von Nanopartikeln zur Folge, doch es eröffnet sich auch ein breites Spektrum an möglichen Gefahren für uns und unsere Umwelt. Es ist noch äußerst unklar, welche Nanopartikel eine Wirkung auf Organismen haben. Mit möglichen Gefährdungen, welche von den Nanopartikeln während ihrer Herstellung, Verwendung und Entsorgung für die Umwelt ausgehen, befasst sich unter anderem die Ökotoxikologie, da Nanopartikel neuartige chemische und physikalische Eigenschaften aufweisen.
Eigenschaften nanoskaliger Partikel
Nanopartikel besitzen spezielle chemische und physikalische Eigenschaften, die deutlich von denen von Festkörpern oder größerer Partikel abweichen. Dies sind unter anderem:
höhere chemische Reaktivität durch große spezifische Oberfläche (große Teilchenoberfläche im Verhältnis zum Volumen) möglich geringer Einfluss von Massenkräften (Gewichtskraft) und zunehmender Einfluss von Oberflächenkräften (z. B. Van-der-Waals-Kraft) zunehmende Bedeutung von Oberflächenladung (siehe DLVO-Theorie) sowie thermodynamischen Effekten (Brownsche Molekularbewegung) daraus können stabile Suspensionen aber auch Aggregatbildung resultieren spezielle optische Eigenschaften
Letztendlich beruhen diese Eigenschaften der Nanopartikel auf der extrem hohen Oberflächenladung, die Kompensation sucht. Diese erhöhte Reaktivität begrenzt jedoch die Lebensdauer als „singuläre Nanopartikel“ auf sehr kurze Zeiten. Wenn keine gezielte Isolation durch Ionen- bzw. Micellenbeladung erfolgt, kommt es sehr schnell zu Ladungsausgleich durch Agglomeration bzw. Aggregation (z. B. durch Ultraschall-Beschallung und Vortexen), die gemäß dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik nur unter Einsatz entsprechend hoher Energieeinträge wieder zu lösen ist. Diese Lebensdauer singulärer Nanopartikel kann ein Kriterium bei der Risikobewertung darstellen und gelegentlich die Einbeziehung nanostrukturierter Materialien in Risikobewertungen ausschließen.
Vorkommen und Formen Nanopartikel können sowohl auf natürlichem Wege (z. B. Viren, oder etwa bei Vulkanausbruch oder Waldbrand) als auch durch anthropogene (vom Menschen verursachte) Einflüsse, wie Kfz- und Industrieabgase, in die Umwelt gelangen. So versteht man unter Industrieruß lediglich sehr kleine Kohlenstoffteilchen, die z. B. auch bei Verbrennungsprozessen entstehen können.
mini|Modell des Buckminsterfullerens, C60 Synthetische Nanopartikel sind künstlich hergestellte Teilchen, die gezielt mit neuen Eigenschaften und/oder Funktionalitäten ausgestattet sind, wie z. B. elektrische Leitfähigkeit, chemische Reaktivität. Synthetische Nanopartikel können entsprechend ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften untergliedert werden. In der Forschung und Anwendung weit verbreitete Gruppen sind: Metall- und Halbmetall-Oxide (Siliciumdioxid (SiO2), Titandioxid (TiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Eisenoxide (Fe2O3 oder Fe3O4), Zinkoxid (ZnO) sowie Zeolithe und andere auf Silizium basierende mesoporöse Materialien wie MCM-41 oder SBA-15) Halbleiter (Cadmiumtellurid (CdTe), Cadmiumselenid (CdSe), Silizium) Metalle (Gold (Au), Silber (Ag), Eisen (Fe)) Metallsulfide Nanoplastik
Kohlenstoffhaltige Nanopartikel können in unterschiedlichen Formen vorliegen: Fullerene Einzel- und mehrwandige Nanoröhren Graphen Nanofasern Polymere wie Dendrimere und Blockcopolymere Industrieruß (engl. ) Diamant-ähnlicher Kohlenstoff (engl. ) Zwiebel-ähnlicher Kohlenstoff (engl. )
Industrieruß Graphit (eine Form des Kohlenstoffs, neben Diamant und Fulleren) ist die Grundstruktur von Industrieruß (). Es ist ein weiches, schwarz-metallisch glänzendes Material, das sowohl in natürlicher Form vorkommt als auch künstlich hergestellt werden kann. Die Kristallstruktur des Graphits besteht aus vielen übereinanderliegenden parallelen Schichten, die in Größe und Anordnung variieren können. Innerhalb dieser Schichten kondensieren sp2-hybridisierte Kohlenstoffatome zu aromatischen Sechsringen und bilden ein konjugiertes π-System.
ist die englische Bezeichnung für Industrieruß, der unter kontrollierten Bedingungen gezielt hergestellt wird und physikalisch und chemisch definiert ist. Dem gegenüber steht der Kamin- bzw. Dieselruß, der als nicht genau definiertes Nebenprodukt bei der Verbrennung von Kohle bzw. Kohlenwasserstoffen entsteht.Jean-Baptiste Donnet, Roop Chand Bansal, Meng-Jiao Wang: Carbon Black – Science and Technology. 2nd Ed. Marcel Dekker, New York/Basel/Hong Kong 1993, ISBN 0-8247-8975-X.Roop Chand Bansal, Fritz Stoeckli, Jean-Baptiste Donnet: Active Carbons. Marcel Dekker, New York/Basel 1988, ISBN 0-8247-7842-1.Degussa: Schriftenreihe Pigmente. Nr. 47.
Industrieruß besteht zu 96–99 % aus Kohlenstoff, die restlichen Anteile sind Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel, die größtenteils (in funktionellen Gruppen) an der Oberfläche chemisch gebunden sind. An den Ecken und Kanten der aromatischen Verbindungen ist die Oberflächenenergie am größten, so dass eine Adsorption von Gasen und Flüssigkeiten bevorzugt stattfindet.
Die Oxid-Gruppen auf der Porenoberfläche haben den größten Einfluss auf die physikochemischen Eigenschaften des Industrierußes, wie die Wasseradsorptionsfähigkeit und katalytische, chemische und elektrische Reaktivität. Hauptsächlich bilden sich dabei basische Hydroxy-, saure Carboxy- sowie Carbonyl- und Lacton-Gruppen auf der Oberfläche. Bei der Herstellung von Aktivrußen können dabei funktionelle Sauerstoffgruppen mit einem Massenanteil von bis zu 15 % eingeführt werden.
„Ultrafeinstaub“
In der Luftgütemessung werden Partikel mit einem thermodynamischen Durchmesser von weniger als 0,1 µm unabhängig von der näheren Beschaffenheit als ultrafeine Partikel (UP bzw. UFP, „Ultrafeinstaub“) bezeichnet.Deutsches Institut für Normung e. V., Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN (Hrsg.): Feinstaub und Stickstoffdioxid – Wirkung – Quellen – Luftreinhaltepläne – Minderungsmaßnahmen. Beuth Verlag, Berlin 2006, ISBN 3-410-16237-2, S. 17. Der thermodynamische Durchmesser beschreibt dabei ein kugelförmiges Partikel mit einem identischen Diffusionsverhalten wie das betrachtete Partikel.Mark L. Maiello, Mark D. Hoover (Hrsg.): Radioactive Air Sampling Methods. CRC Press, Boca Raton 2010, ISBN 978-0-8493-9717-2, S. 141.
Halbleiter Halbleiter-Nanopartikel besitzen spezielle Fluoreszenzeigenschaften. Wie bei makroskopischen Halbleitern gibt es eine Bandlücke, d. h., durch optische Anregung können Excitonen (Elektron-Loch-Paare) erzeugt werden, die bei Rekombination Photonen emittieren, d. h., in Form von Fluoreszenz Licht ausstrahlen. Das besondere bei Halbleiternanopartikeln ist, dass die Energie der Photonen mit der Partikelgröße korreliert. Dabei vergrößert sich die Bandlücke mit kleiner werdender Teilchengröße.
Somit lassen sich aus demselben Material Partikel herstellen, die in verschiedenen Farben fluoreszieren, wobei sich die Farbe (Emissionswellenlänge) durch die Partikelgröße einstellen lässt. Kleine Partikel emittieren bei kleinerer Wellenlänge (größerer Photonenenergie), größere Partikel bei größeren Wellenlängen (kleinerer Photonenenergie). Dies ist durch die Quantenmechanik erklärbar („Teilchen im Kasten“-Modell), sogar im einfachsten Modell wird deutlich, dass durch die räumliche Beschränkung (die Elektronen müssen sich innerhalb des Partikels befinden) der Abstand der Energieniveaus von den räumlichen Dimensionen (d. h. der Partikelgröße) abhängig ist. Solche Systeme werden auch als Quantenpunkt bezeichnet, gängige Materialien sind Cadmiumchalkogenide, z. B. Cadmiumselenid und Cadmiumtellurid, welche als Quantenpunkte im sichtbaren Bereich emittieren.
Oxidmaterialien besitzen eine sehr große Bandlücke und sind optisch transparent. Durch Dotierung mit Fremdatomen können sie zur Phosphoreszenz gebracht werden.
Kohlenstoffnanoröhren mini|Animation einer Kohlenstoffnanoröhre Kohlenstoffnanoröhren (englisch:, CNT) bestehen aus zylinderförmigen Graphitlagen und besitzen einen Durchmesser von 1–100 nm. Die Form der Nanoröhren kann einwandig, mehrwandig oder Y-förmig sein. Sie weisen u. a. eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Reißfestigkeit und extreme Elastizität auf, außerdem sind sie sehr strapazierfähig. Sie haben eine 10-mal höhere Zugfestigkeit als Stahl.H. Paschen, C. Coenen, T. Fleischer, R. Grünwald, D. Oertel, C.Revermann: Nanotechnologie – Forschung, Entwicklung, Anwendung. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York 2004, ISBN 3-540-21068-7. Je nach Detail der Struktur ist die elektrische Eigenschaft innerhalb der Röhre leitend oder halbleitend.
Metalle Gegenüber Metallen in größeren Konfigurationen haben metallische Nanopartikel veränderte chemische Eigenschaften. Dies begründet sich in ihrer geringeren Größe und dem daraus resultierenden sehr hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis. So weist z. B. kolloidales Gold eine stärkere katalytische Wirksamkeit auf und zeigt, bei sehr kleinen Goldnanopartikeln, einen drastisch niedrigeren Schmelzpunkt. Hierbei verringert sich der Schmelzpunkt von 1,5 nm großen Goldpartikeln von 1064 °C im makroskopischen Festkörper auf etwa 500–600 °C im nanopartikulären Zustand.
Zudem zeigen Alkalimetall-, Kupfer-, Silber- und Goldnanopartikel andere optische Eigenschaften im Vergleich zu den gleichen Metallen in größeren Anordnungen. Sie zeigen in Dispersion eine breite Absorptionsbande im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums und besitzen somit eine intensive Farbe (charakteristische Farbe von Gold-Kolloiden: rot bis purpurrot). Dieser Effekt wird durch Partikelplasmonen hervorgerufen.
In der Biochemie und Zellbiologie werden Nanopartikel zur Aufnahme in Zellen verwendet. Zur Änderung der Funktion der Nanopartikel und zur Vermeidung einer Aggregation werden diese Partikel beschichtet, z. B. zur Bindung von Proteinen bei der zur Transmissionselektronenmikroskopie verwendeten Immungoldfärbung oder zur Bindung von DNA bei der Munition der Genkanone.
Nanowasser