Verbindungen

Nachfolgend werden einige Verbindungen genauer betrachtet. Da sich die Ausführungen ausschließlich auf nanoskalige Verbindungen beziehen, wird auf den Zusatz „nano“ verzichtet.

Kohlenstoff (C)

Kohlenstoffnanoröhrchen („carbon nanotubes“, CNT)

Kohlenstoffnanoröhrchen sind aus Kohlenstoff aufgebaute röhrenförmige Gebilde. Ihr Durchmesser liegt, je nachdem ob sie einwandig oder mehrwandig sind, zwischen 1-50 nm. Die Länge kann bis zu 100 µm betragen.

Im Herstellungsprozess können unterschiedliche Kohlenstoffnanoröhrchen synthetisiert werden. Hierdurch variieren deren Eigenschaften von isolierend über halbleitend und leitend bis hin zu metallischen Eigenschaften. Zudem ist es möglich, Kohlenstoffnanoröhrchen mit verschiedenen metallischen Katalysatoren (Nickel, Kobalt, Eisen oder Yttrium) auszustatten. Besonders interessant sind Kohlenstoffnanoröhrchen für eine Vielzahl von Produkten aufgrund ihrer sehr hohen Stabilität und gleichzeitig leichten Bauweise.

Kohlenstoffnanoröhrchen sind zumeist aus reinem Kohlenstoff aufgebaut und erscheinen bei Betrachtung der chemischen Zusammensetzung gesundheitlich unbedenklich. Einzig von der Faserform, welche ein asbestähnliches Aussehen annehmen kann, könnte eine ähnliche Gesundheitsgefahr wie von Asbest ausgehen. Daher werden Kohlenstoffnanoröhrchen als potentiell toxisch eingestuft.

Fullerene (Nanospären)

Fullerene sind unterschiedlich große kugelförmige Moleküle, die aus Fünf- und Sechsecken aufgebaut sind. Sie bestehen ausschließlich aus Kohlenstoffatomen. Das kleinste Fulleren ist das instabile C20-Molekül. Sehr bekannt ist das C60-Molekül, auch Buckminster-Fulleren oder Buckyball genannt, dessen Form an einen Fußball erinnert. Außerdem gibt es mehrwandige Fullerene, auch Onions genannt, sowie kegel- bzw. kegelstumpfförmige Fullerene. Fullerene zeichnen sich durch eine hohe Stabilität aus und können hohen Temperaturen und Druckverhältnissen wiederstehen.

Die Produktionskosten von Buckminster-Fullerenen sind zurzeit hoch, so dass bisher nur wenige Produkte C60-Moleküle enthalten. Denkbare Anwendungen von Fullerenen liegen im medizinischen Bereich (z.B. Krebsmedikamente), aber auch in Kosmetika als Radikalfänger und im technischen Bereich als Halbleiter, Supraleiter, Katalysatoren und Schmiermittel. In größere Fullerene können Stoffe eingekapselt und im Fall von Medikamenten zielgenau zum Wirkort transportiert werden.

Gesundheitsrisiken zu Fullerenen sind noch weitgehend unerforscht. Es gibt Hinweise, dass Fullerene oxidativen Stress verursachen können.

Silber (Ag)

Silber wird insbesondere aufgrund seiner antibakteriellen Eigenschaften z.B. in der Textilindustrie und im medizinischen Bereich eingesetzt. Die antimikrobielle bzw. toxische Wirkung von Silber beruht auf der Freisetzung von Silberionen und das große Oberflächen-Volumen-Verhältnis.

Die Analytik von Nanosilber ist wegen vieler Faktoren sehr komplex. Beispielsweise beeinflussen Größe, Form, Reaktionsmischung, Auflösungsgeschwindigkeit, Alterungseffekte, Aggregation/Agglomeration und das Vorliegen von ionischem Silber die Analyse.

Es ist denkbar, dass Silber in die Zellen eindringen kann. Die intrazellulären Silberpartikel bilden ein Depot, aus dem stetig Silberionen abgegeben werden. Als Speicherorgane dienen insbesondere Leber und Milz. Das Bundesinstitut für Risikobewertung empfiehlt auf Silber und Silberverbindungen in Lebensmitteln und Produkten des täglichen Bedarfs zu verzichten bzw. den Einsatz auf das Notwendigste zu begrenzen, bis genügend Daten zur Risikobewertung von Silber vorliegen.

Titandioxid (TiO2)

Titandioxid wird aufgrund seiner photokatalytischen Eigenschaften in verschiedensten Anwendungen eingesetzt. Verwendung findet es in anorganischen Matrizen mit (selbst-)reinigenden Eigenschaften, auf Glasscheiben, Dachziegeln und Fassaden sowie in Sonnenschutzmitteln.

Die Toxizität von Titandioxid ist insbesondere durch die photokatalytische Aktivität bedingt. Die Toxizität variiert je nach Strahlungsintensität. Eine Beschichtung von Titandioxid mit Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid kann die photokatalytische Aktivität verhindern.

Bisher ist wenig über gesundheitsschädigende Eigenschaften von Titandioxid bekannt. Zumeist konnte keine oder nur eine geringe biologische Wirkung nachgewiesen werden. Vereinzelt gibt es Hinweise auf eine entzündungssteigernde Wirkung sowie auf eine Überwindung der Blut-Luft-Schranke bei einer Applikation über die Lunge. Eine Aufnahme über die Haut und den Magen-Darm-Trakt ist zurzeit als unkritisch zu werten (u.a. Geiser et al. 2005; Fleischer & Krug 2009; Oberdörster, G. 2006). Vorliegende Daten zu kanzerogenen Eigenschaften sind nicht ausreichend belegt.

Nähere Informationen zu den Kristallstrukturen von Titandioxid können Sie in den Zusatzinformationen am Seitenende nachlesen.

Zinkoxid (ZnO)

Als Nanopartikel besitzt Zink UV-absorbierende Eigenschaften. Daher wird es in Textilien, Klarlacken für den Holz- und Möbelbereich, transparenten Kunststoffen und Kunststofffilmen (Kunststoffglas) eingesetzt.

Bisherige Studienergebnisse belegen, dass Zinkoxid nicht durch die Haut in tiefere Hautschichten eindringt (Fleischer & Krug 2009). Brand et al. (2003) beschreiben jedoch, dass durch Zinkoxid in Sonnenschutzcremes andere Substanzen (z.B. Pestizide) leichter durch die Haut wandern können.

Verschiedene Studien weisen darauf hin, dass bei einer Aufnahme über die Lunge Entzündungsreaktionen hervorgerufen werden könnten. So besitzt beispielsweise bei Schweißarbeiten entstehender Zinkrauch eine akute Wirkung.

Zink ist ein essentielles Spurenelement, welches für das Immunsystem von großer Bedeutung ist. Es besteht aber die Möglichkeit, dass sich nicht modifiziertes Zinkoxid in einem wässrigen Milieu auflöst und bei einer Überdosierung toxisch wirken kann (BAFU 2013b).

Weitere Verbindungen

Die oben beschriebenen Verbindungen stellen nur einen Bruchteil aller nanoskaligen Verbindungen dar. Die nachfolgende Aufzählung soll einen Eindruck von deren Vielfältigkeit vermitteln:

  • oxidative Nanopartikel
    • Aluminiumdioxid (Al2O3),
    • Magnesiumoxid (MgO),
    • Siliziumdioxid (SiO2),
    • Eisenoxid (Fe2O3 und Fe3O4),
  • nicht-oxidische Nanopartikel
    • Titankarbid (TiC),
    • Aluminiumnitrid (AlN),
    • Siliziumkarbid (SiC),
  • Quantum dots
    • Cadmiumselenid (CdSe),
    • Zinksulfid (ZnS),
  • metallische Nanopartikel
    • Aluminium (Al),
    • Gold (Au),
    • Eisen (Fe),
    • Kupfer (Cu),
    • Platingruppenelemente (Platin, Palladium, Rhodium, Osmium, Iridium, Ruthenium)
  • keramische Materialien
  • Nanotubes aus anderen Verbindungen als Kohlenstoff
    • Metallnitride,
    • Metallsulfide,
    • Metallhalogenide
  • Carbon Black (Industrieruß)

Während Nanopartikel wie z.B. Gold in der chemischen Industrie als Katalysatoren und in der Medizin als Marker für biologische Schnelltests dienen, werden Aluminiumoxid-Partikel als poröse Trägerschicht für Autoabgaskatalysatoren verwendet. Dendrimere ermöglichen dagegen als Nanoreaktoren Prozesse im Nanometerbereich.

Zusätzliche Informationen: 

Je nach Anwendung wird eine unterschiedliche Kristallstruktur (Anatas, Rutil, Brookit) benötigt. In Gegenständen mit (selbst-)reinigenden Eigenschaften wird die Form Anatas eingesetzt, da es photokatalytisch aktiver ist als die Rutil-Form. Rutil wird dagegen als UV-Absorber z.B. in Sonnencremes verwendet. Anders als Anatas und Rutil ist Brookit photokatalytisch inaktiv und wird daher industriell nicht genutzt.

Stand: 11. März 2016 - 9:54 Uhr

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