Die wundersame Welt der kleinen Teilchen
Ein Gastbeitrag von Janosch Deeg
Neues hat ja bekanntlich oftmals einen ambivalenten Charakter – Angst gesellt sich zur Hoffnung. In ganz besonderem Maße ist dieses Phänomen bei neuen Technologien zu beobachten. Betrachten wir zum Beispiel die moderne Kommunikationstechnologie oder die Genetik. Befürworter setzen große Hoffnung auf diese Techniken, während Skeptiker zum Teil berechtigte Sorgen haben, dass diese ungeahnte Gefahren mit sich bringen. Die Medien vermögen nicht immer Licht ins Dunkel zu bringen. Auch in Bezug auf die Nanotechnologie so scheint es, wird oft verkürzt, vereinfacht oder polemisiert berichtet. Die Nanotechnologie ist wohl momentan eine der angesagtesten Wissenschaften. Ihr Höhenflug hält schon über mehrere Dekaden an, aber die Stimmen der Kritiker werden lauter. Grund genug, sich mit dieser Thematik eingehender zu beschäftigen.
Zwischen Hype und Hypochondrie
Einer der bedeutendsten Physiker des 20. Jahrhunderts, Richard Feynman, sprach 1959 in einem Vortrag davon, die Dinge immer weiter zu verkleinern und schließlich einzelne Atome und Moleküle als Bausteine zu verwenden. “There‘s plenty of room at the bottom”, war der Titel seines Vortrags [1], und mit dieser Aussage sollte er Recht behalten. Denn mehr und mehr kristallisierte sich in der darauf folgenden Zeit heraus, dass im Kleinen so manches Potential steckt, und so ist die Miniaturisierung heutzutage ein weit verbreitetes Phänomen. Allerdings konnte Feynman nicht ahnen, dass sein Vortrag als Grundstein der Nanotechnologie in die Geschichte eingehen würde. Erst recht nicht, dass selbst modische MP3-Player heute den Beinamen „nano“ tragen.
Nano, ein Modewort, das Innovation verheißt, dabei frisch und frech daherkommt und deswegen wunderbar zu der Marke mit dem weißen Apfel passt. Nano ist einfach cool. Doch es sind nicht nur Jugendliche mit Kopfhörern, die mit dem Begriff geködert werden. Schon lange bevor das Wort Einzug gehalten hat in das alltägliche Leben waren die Nanotechnologie und die mit ihr verbundenen Hoffnungen und Versprechungen unter Wissenschaftlern, Politikern und Wirtschaftsweisen angesagt.
Angesagt ist hier gleichzusetzen mit Profit, mit stattlichen Forschungsaufträgen und wirtschaftlichen Großprojekten. Die Nanotechnologie – ein Goldesel. Sie wurde und wird noch immer als die Technologie des 21. Jahrhunderts gepriesen, mit der sich Probleme wie Energiekrisen, Wasserknappheit oder Seuchen in den Griff bekommen lassen sollen[2-5]. Nanotechnologie, das Mittel um den drohenden Kollaps der Erde zu verhindern.
Neuerdings kommen uns jedoch vermehrt die Stimmen kritischer Geister zu Ohren. Sie haben bemerkt, dass Nanoteilchen bereits auf breiter Front im alltäglichen Leben angekommen sind, in Cremes, in Sprays und in Nahrungsmitteln wie Schokoriegel oder Fertigsuppen. Dass diese Teilchen deswegen gleich eine Bedrohung darstellen und bekämpft werden müssen, sei dahingestellt. Dennoch ist es unbedingt notwendig, sich nicht nur mit den positiven sondern auch negativen Visionen in Bezug auf die Auswirkungen auf die menschliche Gesellschaft auseinanderzusetzen. Nicht nur um die Gefahren einzuschränken, sondern ebenso um das Vertrauen der Bürger nicht zu verlieren oder gar zu missbrauchen. Kritiker vermuten, dass die schon überall präsenten winzigen Nanopartikel im menschlichen Körper Schaden anrichten könnten. Und dies zu Recht, Nanopartikel sind im Vergleich zu größeren Partikeln hochreaktiv und es kann im Körper zu ungewollten chemischen Reaktionen kommen. Darüber hinaus können Nanopartikel in Bereiche vordringen, in die es größere Partikel niemals schaffen würden. Dort schädigen sie möglicherweise die Organe und verursachen Störungen des Organismus.
Man kann also festhalten, dass es, wie so oft, auch bei der Nanotechnologie volkommen entgegengesetzte Positionen gibt. Doch oft fehlt die elementare Grundlage für einen ehrlichen Diskurs, denn vielen ist bis heute nicht klar was nano überhaupt bedeutet.
nano – was ist das überhaupt?
Das Wort nano leitet sich von der Längeneinheit Nanometer ab. Semantisch bedeutet Nano „Zwerg“ und ein Nanometer ist dementsprechend ziemlich klein, nämlich 0.000000001 Meter. Das ist so klein, dass es nicht möglich ist, sich die wahren Ausmaße vorzustellen. Man kann nur Vergleiche heranziehen um sich die Größenordnung einigermaßen plausibel zu machen: Stellt man sich zum Beispiel ein Haar mit einem Durchmesser von 0.1 mm vor und denkt sich dieses nun als dicken Baumstamm mit einem Durchmesser von knapp zehn Metern und bindet ein Nano-Seil um diesen Baum, dann wäre dieses Seil in unserem Vorstellungsmaßstab so dick wie das eigentliche Haar. Nanotechnologie ist vereinfacht gesagt nun jene Technologie, die sich mit solch winzigen Strukturen, Stoffen und Partikeln, als auch Methoden, die diese Bestandteile manipulieren und untersuchen, beschäftigt.
Aber ist so klein auch besonders viel versprechend? Dann müsste Piko, die nächst kleinere Einheit, ja noch größere Verheißungen bereithalten. Bisher ist dies jedoch nicht der Fall, aber vielleicht kommt das ja noch. Denn Mikro, die nächst größere Einheit, hatte ihren Höhenflug schon in den 80er Jahren. Deswegen ist Nano vielleicht nur eine vorübergehende Mode-Erscheinung, wie so vieles in unserer technisierten Gesellschaft, die von Fortschritt lebt und diesen auch verkaufen muss. Ein guter Ruf ist dabei von großem Vorteil. Allerdings ist bei der Nanotechnologie zu beachten, dass ihr verheißungsvolles Image schon lange anhält und von manchem Experten schon als die letzte industrielle Revolution der Menschheit bezeichnet wurde. Deshalb lohnt es sich vielleicht doch, eine genauere Betrachtung vorzunehmen. Wo zieht man die Grenze zwischen seriöser Wissenschaft und leeren Versprechungen? Denn Utopie, Science Fiction, Futurismus und visionäres Forschertreiben liegen hier sehr dicht beieinander.
nano macht Karriere
Am Anfang stand also Feynmans Prophezeiung, der Mensch werde sich eine unbekannte Welt ganz unten erschließen und eine atomare Architektur betreiben. Es dauerte weitere 20 Jahre, bis ein amerikanischer Ingenieur namens Eric Drexler in den 80er Jahren den Begriff „molekulare Nanotechnologie“ definierte und damit eine neue Wissenschaft schuf, die sich ausschließlich mit Strukturen, Methoden und Teilchen im Nanometerbereich befasst. Fortan waren Ideen über Maschinen aus einzelnen Atomen salonfähig. Drexler wurde zum Nanotech-Papst und Feynman zum Propheten dieses neuen technischen Zeitalters stilisiert.
Eine radikal neue Technologie, die nicht nur eine Miniaturisierung der Mikrotechnologie darstellte, sondern neue ungeahnte Möglichkeiten eröffnete, war geboren. Doch der normale Verbraucher hat von dieser Revolution auch fast 30 Jahre später noch nichts gespürt. Für ihn ist Nanotechnologie weiterhin einfach nur klein und er denkt meist an immer winziger werdende Chips in Computern, Handys oder eben auch an besagte MP3-Player.
Vielleicht hat er auch schon von winzigen Robotern gehört, welche oft als Werbeträger für die Nanotechnologie herhalten müssen, oder von Nanoröhrenkabeln, die als Transport ins All benutzt werden sollen. Aber ist hier die Nanotechnologie wirklich schon angekommen? Wo sind die Nanocomputer, Nanomotoren oder die Nanoroboter, die während der Goldgräberstimmung der 90er Jahre versprochen wurden?
Winzige Chips auf Basis von einzelnen Atomen mit unbegrenzten Rechenleistungen oder selbständig funktionierende Helfer auf Molekülbasis, die im menschlichen Körper umherwandern und Dienst an der menschlichen Gesundheit verrichten, das wäre in der Tat eine Revolution, aber soweit ist die Nanotechnologie noch lange nicht.
Nanotechnologie – Willkommen in der Realität
Der große Raum am unteren Ende brachte viele neue Herausforderungen mit sich, die man nicht vorausgesehen hatte. Wenn man sich auf der Ebene von Atomen bewegt, gelten andere Gesetze als im makroskopischen Bereich. Es treten zwischenmolekulare Kräfte und chemische Prozesse auf, die im Großen nicht stören, geschweige denn überhaupt bemerkbar sind, aber im Kleinen fast unüberwindbare Hürden darstellen. Deswegen sind die Wunder, die die Nanotechnologie versprach, bisher nicht eingetreten.
Und keiner weiß, ob lediglich noch ein weiter Weg zu gehen ist, bis man aus einzelnen Atomen einen so genannten Quantencomputer bauen kann, bis so genannte Nanobots im menschlichen Körper zum Einsatz kommen, bis wirklich selbst organisierte, autark funktionierende Molekülstrukturen Aufgaben in der Welt ganz unten übernehmen können, oder ob all diese Visionen als unverwirklichbar in die Geschichte eingehen werden.
Der Beliebtheit der Nanotechnologie tut dies jedoch keinen Abbruch. 66 Prozent der Deutschen stehen der Nanotechnologie positiv gegenüber, wie eine Untersuchung der deutschen Verbraucherzentrale 2008 ergab[6]. Gleichzeitig können aber die wenigsten wirklich definieren was Nanotechnologie ist und oftmals fällt dies auch den Experten schwer. Aber immerhin kann der ein oder andere von wasserabweisenden Anti-Haft-Beschichtungen, von antibakteriellen Silbernanopartikel in Waschmaschinen oder Deodorants oder von Nanopartikeln in Autolacken zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit berichten. Die Werbung hat ihren Zweck erfüllt. Selbst Produkte, die schon lange bevor der Begriff der Nanotechnologie definiert wurde, auf dem Markt waren, werden nun mit dem Zusatz nano beworben.
Von Gefahren will die Marketingbranche selbstverständlich nichts wissen. Der Verbraucher muss sich wie immer anderweitig informieren. Tut er dies, so wird er auf Studien stoßen, die Hinweise erbrachten, dass einzelne Nanopartikel wirklich Schaden anrichten könnten, sowohl beim Menschen als auch in der Umwelt.[7-9]In Tierversuchen wurde beispielsweise gezeigt, dass Silbernanopartikel die Entwicklung von Nervenzellen stören und giftig auf Leber- und Geschlechtszellen wirken können.[10]Aber eine flächendeckende Risikobewertung der unzähligen synthetisch hergestellten Nanopartikel fehlt. Dies muss zweifellos nachgeholt werden, auch wenn es viel Arbeit bedeutet, jeden einzelnen Nanopartikel auf seine Auswirkungen hin zu untersuchen. Aber im Großen, im Makroskopischen, wird diese Kontrollarbeit ja ebenfalls geleistet.
Die Nanotechnologie jedoch zu verteufeln, weil es Hinweise auf Gesundheitsschädlichkeit bei einzelnen Produkten gibt, wäre als ob man die komplette chemische Industrie, auf Grund ihrer Herstellung von so manch giftigen Stoffen, ablehnen würde. Zudem benutzt die Nanotechnologie in vielen Bereichen gar keine freien Nanopartikel, vielmehr sind die Nanopartikel oder Nanostrukturen eingebunden in ein abgeschlossenes System, so dass Menschen niemals damit in Kontakt kommen. Daher muss diese Debatte vorsichtig und vor allen Dingen sehr differenziert geführt werden.
Zwischen Paranoia und Euphorie: Nanotechnologie bleibt vielversprechend
Wenn man also die bisherigen Erkenntnisse betrachtet, müsste eigentlich längst schon Ernüchterung im Hinblick auf die Nanotechnologie eingetreten sein. Doch nichts dergleichen ist passiert. Nanotechnologie ist weiterhin cool und sexy. Im Jahr 2009 wurde die Nanotechnologie weltweit mit 9,75 Milliarden Euro an öffentlichen Geldern gefördert[11]und die Summen, die die Industrie und Militär aufwenden dürften noch deutlich höher ausfallen. Nach wie vor setzt man große Hoffnungen auf die Erkenntnisse der Nanoforschung. Um das zu verstehen, muss man den Begriff der Nanotechnologie vielleicht zeitgemäß präzisieren. Wir können festhalten, dass Nano weiterhin eine simple Größenordnung ist und jeder, der Nanowissenschaft betreibt, bewegt sich auch nach heutiger Definition in irgendeiner Weise innerhalb dieses Raumes am „unteren Ende“.
Aber längst wurde klar, dass in diesem Raum nicht nur Platz für Atom-Ingenieure ist, die Nanoroboter und Molekülmaschinen konstruieren, sondern für viel mehr. Feynman hatte also Recht, es gibt viel Platz da unten. In der Nanotechnologie werden die klassischen Naturwissenschaften Chemie, Physik, Biologie vereint, und ergänzt durch modernere Wissenschaften wie Elektrotechnik, Bionik, Materialwissenschaften, molekulare Biotechnologie und Gentechnik und selbst die IT-Branche hat ein Plätzchen gefunden. Hinzu kommen dann die verschiedensten Anwendungsbereiche wie Medizin, Lebensmitelbranche oder Autoindustrie und die Liste ließe sich beliebig fortsetzen
Die Nanotechnologie ist also die wohl interdisziplinärste Wissenschaft unserer Zeit und man sollte daher eigentlich eher in der Mehrzahl, also von Technologien, die eine gemeinsame Basis besitzen, sprechen. Wer sich heute in unserer dynamischen und flexiblen globalisierten Gesellschaft noch auf traditionelle Wissenschaften konzentriert, wirkt veraltet. Längst hat man erkannt, dass irgendwie doch alles zusammenhängt, auch in den Wissenschaften. Nanotechnologien berücksichtigen genau dies, sie schaffen Verknüpfungen. Neue Denkansätze, die neue Konzepte ermöglichen, sind gefragt und dafür bedarf es Menschen aus den verschiedensten Fachrichtungen die offen sind für neue Ideen und Ansätze.
Das passt wunderbar zum Zeitgeist der Globalisierung. Und vielleicht könnte es das Attribut der “Brückenbauer zwischen den verschiedensten Disziplinen” sein, durch welche sich die Nanotechnologien doch noch eines Tages die Bezeichnung “Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts”[12]verdienen .
Denn Nanotechnologien sind nicht nur verkaufsorientierte medienwirksame Wissenschaften, die ein einfacheres Leben verspechen, sondern ebenso Wissenschaften, auf deren Basis Forscher aus verschiedensten Bereichen Grundlagenforschung betreiben. Nicht nur im Großen, im Universum, werden die spannendsten Fragen der Entstehungsgeschichte des Lebens, der Erde und des Universums gestellt und erkundet, sondern auch und vielleicht sogar noch mehr im Kleinen und Kleinsten.
Was bleibt?
Vor kurzem erst bekam der kleinste von Menschenhand hergestellte Düsenantrieb der Welt einen Eintrag ins Guiness-Buch der Rekorde. Er hatte einen Durchmesser von 600 Nanometer und wog ein Pikogramm. Forscher aus Dresden hatten diesen aus zusammengerollten Polymeren hergestellt.[13]Auch hier wurde sogleich die Idee geäußert, diese selbstangetrieben Rollen als Nanotransporter zu benutzen, um beispielsweise Medikamente an ihre Bestimmungsorte zu bringen.
Am Anfang steht immer eine Vision, ob diese dann genau so oder in anderer Form oder vielleicht auch gar nicht verwirklicht werden kann, zeigt erst die Zukunft. Deshalb ist es ungerechtfertigt, alle Konzepte der Nanotechnologie prinzipiell als unrealistisch oder zu gefährlich einzustufen, genauso wie es anmaßend ist, zu behaupten die Nanotechnologie sei in der Lage, die Menschheit zu retten.
Die Nanotechnologie ist vielschichtig. Das gilt sowohl für ihr Potential, als auch für die Gefahren und die Zwecke, zu denen sie missbraucht wird. Von einem ehrlichen und nüchternen Umgang mit dieser Wissenschaft würde die Gesellschaft profitieren. Denn wenn sie auch höchstwahrscheinlich nicht die letzte industrielle Revolution ist, so wird sie doch einen prägenden Eindruck hinterlassen.
Janosch Deeg promoviert am Max-Plank-Institut für intelligente Systeme im Fach Physik. Sein Arbeitschwerpunkt liegt im Bereich biologisch-physikalische Nanotechnologie. Er erforscht die Interaktion von Zellen mit künstlichen nanostrukturierten Proteinoberflächen.
………………………………………………………………………………………………………….
[1] http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
[2] http://www.bmbf.de/de/nanotechnologie.php
[3] http://www.bmbf.de/pub/nanotechnologie_in_deutschland-standortbestimmung.pdf
[4] http://www.ephorie.de/pdfs/Kapitel%201%20Nanotechnologie.pdf
[5] Niels Boeing, Alles Nano?!: Die Technik des 21. Jahrhunderts, Taschenbuch, rororo Verlag
[6] http://www.vzbv.de/mediapics/studie_nanotechnologien_vzbv.pdf
[8] Bund Broschüre: 20101116_nanotechnologie_umweltprobleme_broschuere.pdf
[9] Greenpeace Magazin 11/2010: Gefährliche Winzlinge
[10] Bund Studie: 20091202_nanotechnologie_nanosilber_studie.pdf
[10] Niels Boeing, Märchen, Mythen, Möglichkeiten, Le monde diplomatique 2010 N° 8, 97-101
[12] Nano-Initiative der deutschen Bundesregierung (BMBF, 2006)
[13] A. A. Solovev, S. Sanchez, M. Pumera, Y. F. Mei, O. G. Schmidt: Magnetic Control of Tubular Catalytic Microbots for the Transport, Assembly, and Delivery of Micro-objects, Advanced Functional Materials, 2010, 20, 2430–2435
Weitere Artikel mit Janosch Deeg:
– Über die Physik der Atomkraft (Teil 1)
– Über die Physik der Atomkraft (Teil 2)
– Über die Physik der Atomkraft (Teil 3)
Diesen Artikel kommentieren? Bitte den Kommentarleitfaden beachten.
Ein Kommentar zu "Nanotechnologie(n)"