Nanomaterialien; Nanotechnologie; Titandioxid (nano); Zinkoxid (nano)

Nanotechnologie leitet sich vom griech. nãnnos = Zwerg ab und bezeichnet ein heterogenes Technologiefeld, das sich mit Strukturen auf der Nanometerskala (ein Nanometer gleich ein Milliardstel Meter bzw. 10-9 m) befasst. In dieser Dimension kommt es zu neuartigen Eigenschaften der Stoffe, die auch immer wieder zur Verunsicherung führen. Eine fundierte Untersuchung der Wirkungen von Nanomaterialien und eine offene Kommunikation ist unerlässlich.

Definition von Nanomaterialien

Nach Definitionen der Internationalen Organisation für Normung (ISO) beschreibt der Begriff „nanoskalige“ Materie im Größenbereich von 1 nm bis 100 nm [ISO/TS 27687:2008].

Abbildung 2.1: Übersicht über die Begrisabgrenzungen im Bereich der Nanotechnologie (grau hinterlegt sind die bereits durch die ISO/TS 27687:2008 denierten Begrie).

Weitere ISO-Normen für den Bereich der Nanotechnologie sind in Bearbeitung, darunter die ISO/TS 12901, welche Definitionen zu nanostrukturierten Materialien enthält sowie die ISO/TS 11751, in der Nanomaterialien aus Kohlenstoff definiert werden.

Agglomerate und Aggregate

Agglomerate bzw. Aggregate entstehen beim Zusammenschluss von Nanopartikeln zu größeren Verbundsystemen. Dabei bezeichnet ein Agglomerat eine Ansammlung von schwach miteinander verbundenen Partikeln. Die Oberfläche der Agglomerate ist dabei vergleichbar mit der Summe der Oberflächen der einzelnen Teile. Unter dem Begriff Aggregat sind hingegen stark aneinander gebundene Partikel zu sehen. Dabei kann die Oberfläche des Aggregats deutlich kleiner sein als die Summe der Oberflächen der singulären Bestandteile. Die am Zusammenschluss beteiligten Nanostrukturen werden als Primärpartikel bezeichnet, während Aggregate ebenso wie Agglomerate zu den Sekundärpartikeln zählen und der nanostrukturierten Materie zuzuordnen sind.

Vorkommen von Nanomaterialien

Das natürliche Vorkommen von Nanopartkel beruht weitestgehend auf Vulkaneruptionen und Waldbränden. Unbeabsichtigt freigesetzte Nanopartikel entstehen durch Verbrennungsprozesse im Verkehr oder bei der Energieumwandlung, bei mechanischen Verschleißvorgängen sowie bei vielzähligen industriellen Prozessen. Bei der Verbrennung von Diesel entstehen komplexe Gemische aus Ruß, Sulfaten, Schmierstoffen, unverbrannten Treibstoffresten und polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstofffen (PAK’s) mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 5 – 20 nm. Bei Schweißarbeiten entstehen aufgrund der hohen Temperaturen vorwiegend Metalloxide, u. a. die Oxide  der Metalle von Aluminium, Cadmium oder Kupfer. Bei dem industriell erzeugten, meist im großtechnischen Maßstab, erzeugten Nanopartikel sind „carbon black“ und Metalloxide wie Silizium-, Aluminium- oder Titandioxid, Metalle wie Gold und Silber sowie Halbleiter wie z.B. Galliumarsenid von Bedeutung.

Nanoskalige Metalloxide

Nanoskalige Metalloxide sind aufgrund ihrer mechanischen, optischen und elektrischen Eigenschaften sowohl für die Industrie als auch für die Wissenschaft von großer Bedeutung und finden im Bereich der Konsumgüter eine breite Anwendung. Zu den bekanntesten und systematisch charakterisierten Metalloxiden in nanostrukturierter Form gehören Titandioxid, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Zinkoxid und Eisenoxid. Diese anorganischen Nanopartikel werden als UV-Schutz in Kosmetika und Textilien, als Photokatalysatoren mit antibakterieller Wirkung oder auch als Zusätze in Lebensmitteln und Lebensmittelbedarfsgegenständen verwendet.

In der Kosmetik meist in Sonnenschutzprodukte, wo der Verbraucher diese Stoffe an dem Zusatz (nano) in der INCI-Deklaration erkennen kann.

Das am häufigste eingesetzte Metalloxid ist nanoskaliges Titandioxid. Dieser Halbleiter zeichnet sich vor allem durch die effiziente Absorption und Streuung von UV-Licht aus und kommt daher in Sonnenschutzcremes oder auf Textilien zum Einsatz. Hierfür werden üblicherweise Partikel eines Durchmessers von 20 – 40 nm eingesetzt, da dies nach der Rayleigh-Streutheorie den optimalen Partikelgrößenbereich darstellt. Aufgrund seiner photokatalytischen Eigenschaften und der daraus resultierenden möglichen Generierung von Superoxid- und Hydroxylradikalen wird es nur noch gecoated und in der Rutil-Form mit max. 5% Anastase-Struktur in der Kosmetik benutzt.

 

Erhöhte Reaktivität der Nanomaterialien

Materie gleicher chemischer Zusammensetzung im Mikrometerbereich hat, unabhängig von ihrer tatsächlichen Größe,  vergleichbare physikalische Eigenschaften. Durch Verkleinerung des entsprechenden Materials in den Nanometerbereich kommt es zu neuen Eigenschaften.

Ebenso unterscheiden sich die Eigenschaften gegenüber jenem Material in atomarer oder molekularer Form. Nanomaterialien nehmen damit einen Übergangszustand zwischen atomarer/molekularer und grobstrukturierter Materie ein.

Ein möglicher Erklärungsansatz ist, dass die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen mit abnehmendem Partikeldurchmesser exponentiell größer wird. Somit wird auch der Anteil der Oberflächenatome größer: bei 10 nm Durchmesser haben Nanopartikel 20 % der ca. 30.000 Atome des gesamten Partikels an dessen Oberfläche, Nanopartikel mit einem Durchmesser von 2 nm haben bereits 80 % der Atome an der Oberfläche.

Mit abnehmendem Partikeldurchmesser und höherem Anteil an Oberflächenatomen steigt auch der Anteil der Oberflächenenergie an der Gesamtenergie. Als Folge entsteht eine erhöhten Reaktivität und die Eigenschaften der Nanopartikel werden vornehmlich durch die  Atomen an ihrer Oberfläche bestimmt, und nicht mehr von den Atomen im Teilcheninneren wie beim ausgedehnten Festkörper.

 

Toxikologische Betrachtung von Nanomaterialien

Eine mögliche Aufnahme nanostrukturierter Stoffe könnte über die Haut erfolgen. Der zunehmenden Einsatz von synthetischen Nanomaterialien in Kosmetika z.B. Shampoos, Sonnencremes etc. könnte dieses Risiko erhöhen, außerdem können sich luftgetragene NP auf der Haut ablagern.

Die Haut bietet im Vergleich zur Lunge oder zum Verdauungstrakt mit ca. 2 m2 allerdings eine relativ kleine Angriffsfläche (Lunge: 140 m2, Darm: 400 – 500 m2). Die gesunde und nicht vorgeschädigte Haut, stellt durch ihre dichten Zelllagen eine effektive Barriere gegenüber äußeren Einflüssen dar.

In-vitro Penetrationsuntersuchungen kosmetischer Mittel, die nanopartikuläres ZnO oder TiO2 enthielten, konnte kein Durchdringen der Haut festgestellt werden.

 

Letztendlich hängt es von der Kommunikation, der Marke und dem Produktkonzept ab, inwiefern Nanomaterialien in Kosmetika eingesetzt werden. Nanomaterialien per se zu verteufeln ist sicher falsch, da diese Materialien durch unsere Zivilisation in großen Mengen vorhanden sind. Im Sonnenschutzbereich bieten die physikalischen, nanostrukturieren UV-Filter Titandioxid einen nachweisbaren Mehrwert.

 

Quellen:

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