Was ist Nanotechnologie? Grundlagen einfach erklärt

Nanotechnologie ist kein einzelnes Fach, sondern ein Querschnittsgebiet aus Physik, Chemie, Materialwissenschaft, Biologie und Ingenieurwesen. Gemeinsam ist allen Anwendungen der Maßstab: Es geht um Strukturen, die so klein sind, dass sich ihre Eigenschaften deutlich von denen desselben Materials im Alltagsmaßstab unterscheiden. Diese Seite erklärt die Grundbegriffe, die Geschichte, die wichtigsten Herstellungswege und die großen Anwendungsfelder. Sie ist zugleich der Einstieg in alle weiteren Themen dieses Portals.

Der Nanometer als Maßstab

Die Vorsilbe „nano“ stammt vom griechischen Wort für Zwerg und bezeichnet den milliardsten Teil einer Einheit. Ein Nanometer (nm) ist also 0,000000001 Meter. Als nanoskalig gelten üblicherweise Strukturen zwischen etwa 1 und 100 Nanometern. Darunter beginnt die Welt einzelner Atome und kleiner Moleküle, darüber der Bereich der Mikrometer, in dem sich Zellen und Bakterien bewegen.

Für die Biologie ist genau dieser Bereich spannend: Proteine, Antikörper, Viren und die DNA haben Abmessungen von wenigen bis einigen Hundert Nanometern. Nanostrukturen haben damit dieselbe Größenordnung wie die Bausteine des Lebens. Deshalb können sie mit Zellen und Biomolekülen auf eine Weise wechselwirken, die größeren Partikeln verschlossen bleibt.

Warum im Kleinen andere Regeln gelten

Ein Goldbarren ist goldgelb, eine Lösung aus Goldpartikeln mit 20 Nanometern Durchmesser dagegen tiefrot. Feines Titandioxid streut sichtbares Licht und wirkt weiß, als Nanopartikel wird es weitgehend durchsichtig, filtert aber weiter UV-Strahlung. Hinter solchen Effekten stehen vor allem zwei Mechanismen.

Mehr Oberfläche pro Masse

Je kleiner ein Partikel, desto größer ist der Anteil seiner Atome an der Oberfläche. Teilt man einen Würfel mit einem Zentimeter Kantenlänge gedanklich in Würfel mit einem Nanometer Kantenlänge, wächst die gesamte Oberfläche um den Faktor zehn Millionen, von 6 Quadratzentimetern auf rund 6.000 Quadratmeter. Oberflächenatome sind weniger fest gebunden als Atome im Inneren. Nanopartikel reagieren deshalb oft schneller, binden mehr Moleküle an sich und eignen sich als Katalysatoren oder als Träger für Biomoleküle.

Quanteneffekte und Plasmonen

Wird ein Kristall nur noch wenige Nanometer groß, können sich Elektronen nicht mehr frei im Material verteilen. Ihre erlaubten Energiezustände hängen dann von der Partikelgröße ab. Halbleiter-Nanokristalle, sogenannte Quantenpunkte, leuchten deshalb je nach Größe in unterschiedlichen Farben. Bei Metallen wie Gold und Silber schwingen die Leitungselektronen gemeinsam mit dem Lichtfeld. Diese Oberflächenplasmonen absorbieren bestimmte Wellenlängen besonders stark und erklären die rote Farbe kolloidaler Goldlösungen. Für Schnelltests und Biosensoren ist genau dieser Effekt zentral.

Eine kurze Geschichte

Nanopartikel wurden lange genutzt, bevor jemand von Nanotechnologie sprach. Der römische Lykurgus-Becher aus dem 4. Jahrhundert enthält Gold- und Silberpartikel im Glas und erscheint je nach Beleuchtung grün oder rot. Mittelalterliche Glasmacher färbten Kirchenfenster mit Metallkolloiden. Michael Faraday beschrieb 1857 erstmals systematisch, dass die Farbe von Goldlösungen auf feinst verteilte Metallteilchen zurückgeht.

Als gedanklicher Startpunkt der modernen Nanotechnologie gilt der Vortrag „There’s Plenty of Room at the Bottom“ des Physikers Richard Feynman von 1959, in dem er die gezielte Manipulation einzelner Atome als Möglichkeit beschrieb. Den Begriff Nanotechnologie prägte 1974 der japanische Ingenieur Norio Taniguchi. Praktisch möglich wurde die Arbeit im Nanobereich erst durch neue Werkzeuge: 1981 wurde das Rastertunnelmikroskop vorgestellt, mit dem sich Oberflächen atomar abbilden lassen. 1985 folgte die Entdeckung der Fullerene, 1991 wurden Kohlenstoffnanoröhren beschrieben. Seit den 1990er-Jahren fördern viele Staaten und die Europäische Union Nanotechnologie als eigenes Forschungsfeld, mehr dazu unter Forschung in Europa.

Wie Nanomaterialien entstehen

Grundsätzlich gibt es zwei Wege, Nanostrukturen herzustellen:

• Top-down: Größere Materialstücke werden verkleinert oder strukturiert, etwa durch Mahlen, Ätzen oder Lithografie. So entstehen die Strukturen auf Computerchips, deren kleinste Strukturen heute nur noch wenige bis einige Dutzend Nanometer messen.
• Bottom-up: Atome und Moleküle lagern sich kontrolliert zu größeren Einheiten zusammen. Beispiele sind die chemische Fällung von Goldpartikeln aus einer Salzlösung, das Wachstum von Kristallen aus der Gasphase oder die Selbstorganisation von Lipiden zu Bläschen.

In der Nanobiotechnologie dominiert der Bottom-up-Ansatz. Die meisten Nanopartikel für Diagnostik und Medizin werden nasschemisch in Lösung hergestellt. Anschließend werden sie mit Biomolekülen beschichtet, ein Schritt, der unter dem Begriff Biokonjugation zusammengefasst wird. Wie gut das gelungen ist, zeigen Messverfahren, die auf der Seite zur Charakterisierung von Nanomaterialien beschrieben sind.

Wo Nanotechnologie heute eingesetzt wird

Viele dieser Anwendungen sind längst Alltag, ohne dass sie als „nano“ auffallen. Andere, etwa der gezielte Wirkstofftransport zu Tumorzellen, sind zum großen Teil noch Gegenstand der Forschung. Die Seite zur Nanomedizin trennt sorgfältig zwischen zugelassenen Verfahren und Forschungsansätzen.

Chancen und offene Fragen

Die besonderen Eigenschaften, die Nanomaterialien nützlich machen, werfen auch Fragen auf. Eine große Oberfläche kann die Reaktivität erhöhen, kleine Partikel können Barrieren im Körper anders überwinden als große. Ob ein Nanomaterial ein Risiko darstellt, hängt aber vom konkreten Stoff, seiner Form, Löslichkeit und Beschichtung sowie davon ab, ob und wie Menschen oder Umwelt ihm ausgesetzt sind. Pauschale Urteile, Nanotechnologie sei per se gefährlich oder per se harmlos, sind fachlich nicht haltbar. Wie Risikoforschung und europäische Regeln damit umgehen, beschreibt die Seite Nanosicherheit und Regulierung.

Vom Nanomaterial zur Nanobiotechnologie

Für dieses Portal ist vor allem der Teil der Nanotechnologie wichtig, der sich mit lebenden Systemen verbindet. Typisch ist ein Baukasten aus drei Elementen: ein Nanopartikel als Träger oder Signalgeber, eine Oberfläche, die den Partikel stabil und verträglich macht, und ein Biomolekül, das ein Ziel erkennt, etwa ein Antikörper. Aus diesem Baukasten entstehen Immunassays und Schnelltests, die auf der Seite Nanotechnologie und Immunologie erklärt werden, ebenso wie Transportsysteme für Arzneistoffe und Impfstoffe.

Wer tiefer einsteigen möchte, findet die wichtigsten Begriffe im Glossar. Einen Überblick über die angrenzende Biotechnologie mit ihren Methoden und Trends gibt die Seite Biotechnologie.