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Sind Nanomaterialien gefährlicher im Vergleich zu größeren Partikeln (Mikrometer und größer)?

Nanomaterialien haben einzigartige Eigenschaften, welche sie für viele neuartige Anwendungen interessant machen. Gleichzeitig ergibt sich aus diesen neuen Eigenschaften auch die Besorgnis über unerwartete Gefährdungen für Mensch und Umwelt. Deshalb gab es zu dieser Frage bereits seit 2006 umfangreiche Forschungsaktivitäten. Bisher wurde kein besonderer Wirkmechanismus entdeckt, der ausschließlich bei Nanomaterialien auftritt. Vielmehr hängt die Giftigkeit einer Substanz eher von ihrer Zusammensetzung als von ihrer Größe ab.

Sind Nanomaterialien per se toxisch bzw. gefährlich?

Nein, das sind sie nicht. Die Größe, in der ein Material vorkommt, bestimmt nicht allein über dessen Toxizität. Viele der Materialien, die in ihrer Nanoform toxische Effekte auslösen, zeigen die gleichen Effekte auch in größeren Formen. Allerdings kann die Größe speziell einen Einfluss auf die Art der Exposition und der Verteilung im Organismus haben. So gelangen z.B. Nanomaterialien nach dem Einatmen in die tieferen Bereiche der Lunge, während größere Partikel dies nicht können.

Was ist ein Nanomaterial?

UPDATE!

Die Europäische Kommission veröffentlichte 2011 eine erste gemeinsame Definition des Begriffs „Nanomaterial“ (2011/696/EU). Diese wurde 2022 aktualisiert:

Ein „Nanomaterial“ ist ein natürliches, zufälliges oder hergestelltes Material, das aus festen Partikeln besteht, die entweder einzeln oder als identifizierbare Teilchen in Aggregaten oder Agglomeraten vorhanden sind, und bei dem 50 % oder mehr dieser Partikel in der zahlenmäßigen Größenverteilung mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllen:

  1. eine oder mehrere Außenabmessungen des Teilchens liegen im Größenbereich von 1 nm bis 100 nm;
  2. das Teilchen hat eine längliche Form, wie z. B. einen Stab, eine Faser oder eine Röhre, bei der zwei Außenabmessungen kleiner als 1 nm sind und die andere Abmessung größer als 100 nm ist;
  3. das Teilchen hat eine plattenartige Form, bei der eine Außenabmessung kleiner als 1 nm und die andere größer als 100 nm ist.
  4. Bei der Bestimmung der auf der Partikelzahl basierenden Größenverteilung brauchen Partikel mit mindestens zwei orthogonalen Außenabmessungen größer als 100 μm nicht berücksichtigt zu werden

Ein Material mit einer spezifischen Oberfläche (bezogen auf das Volumen) von < 6 m2/cm3 wird jedoch nicht als Nanomaterial betrachtet.

https://ec.europa.eu/environment/chemicals/nanotech/pdf/C_2022_3689_1_EN_ACT_part1_v6.pdf

Wie groß ist ein Nanometer?

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Der Begriff „Nano“ leitet sich vom griechischen Wort nanos, der Zwerg, ab. Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters oder 1/1.000.000.000 (1/1 Milliarde) eines Meters. Wenn Dinge so klein sind, kann man sie weder mit dem Auge noch mit einem Lichtmikroskop sehen. Man benötigt dazu spezielle Mikroskope, wie Elektronenmikroskope (EM) oder Rastersondenmikroskope (REM).

Der Nanomaßstab umfasst den Größenbereich von etwa 1 nm bis 100 nm.

Natürliche und synthetische Nanopartikel im Nanometer Maßstab: Virus (30-50 nm), DNA (2.5 nm), Buckyball (~1 nm im Durchmesser), CNT (~1 nm im Durchmesser).

 

Was sind Nanopartikel?

Von einem Nanopartikel, wissenschaftlich korrekt Nanoobjekt, spricht man, wenn ein Material mit einem, zwei oder drei Außenmaß(en) im Nanomaßstab vorliegt. Dazu zählen die Nanopartikel, also Nanoobjekte mit allen drei Außenmaßen im Nanomaßstab. Nanoplättchen sind Nanoobjekte mit einem Außenmaß im Nanomaßstab und zwei wesentlich größeren Außenmaßen. Nanofasern besitzen zwei ähnliche Außenmaße im Nanomaßstab und ein drittes Außenmaß, das wesentlich größer als die beiden anderen Außenmaße ist.

Diese Definitionen wurden als Deutsche Industrie Norm DIN CEN ISO/TS 80004-2:2017-09;DIN SPEC 52400-2:2017-09, veröffentlicht. Das zuständige deutsche Gremium ist der Arbeitsausschuss NA 062-08-17 AA im Normenausschuss Materialprüfung (NMP).  Siehe dazu auch Deutsches Institut für Normung e.V., DIN

Nanopartikel können unterschiedlicher chemischer Natur sein. Sowohl anorganische als auch organische Nanopartikel sind bekannt. Sie können aus nur einem Element bestehen, z.B. aus Metall oder aus Kohlenstoff oder aber aus Verbindungen, wie Oxiden, Nitriden usw. Unter Nanokompositen versteht man Verbundmaterialien, in denen mindestens eine Komponente in Form von Nanoobjekten vorliegt. Nanopartikel lagern sich häufig aneinander und bilden Aggregate oder Agglomerate. Im Gegensatz zu Aggregaten können Agglomerate durch optimales Durchmischen in die Primärkörner zerkleinert werden. Deshalb kann ihre Gestalt sehr uneinheitlich sein und verschiedenste Formen annehmen mit erheblichem Einfluss auf ihre Eigenschaften. Grundsätzlich verhalten sich Nanopartikel wegen ihres enormen Oberfläche-zu-Masse-Verhältnisses gänzlich anders als größere Verbünde.

 

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