Nanotechnologie

Nanotechnologie – eine technische Revolution?
Wissenschaft und Kunst
Den Knochen neu
entdecken
Den Knochen in der Kunst neu entdecken –
das ist das Anliegen von Dr. Peter Diziol und
dieser Rubrik, die interessante Bauwerke,
Plastiken und Gemälde vorstellen wird.
Das große Potenzial der Nanotechnologie ist bereits absehbar, aber in seinen gesamten Auswirkungen für viele Bereiche
noch nicht vorherzusagen. Sie hat gute
Chancen, die Schlüsseltechnologie des
21. Jahrhunderts zu werden.
Lotus-Effekt
Fast jeder kennt das Abperlen der Wassertropfen auf Blattoberflächen von Pflanzen.
Besonders berühmt wurde unter anderem
die Lotuspflanze mit ihren Blättern, an denen das Wasser nicht nur in Tropfen abperlt, sondern dabei auch alle Schmutzpartikel von der Oberfläche mitnimmt. Dieser
besondere Effekt ist durch die eingehenden
Die Größe zählt, auch in der Nanowelt. Unsere Natur ist voller Überraschungen, Geckos können sich zum Beispiel unter Glasplatten hängend bewegen. Was bewirkt der
Lotus-Effekt oder wie entsteht die wunderschöne Farbe bei einigen Schmetterlingsarten?
Können uns Jahrmillionen alte Nanostrukturen Ideen liefern, dieses Know-how
für neue Entwicklungen zu nutzen? Denkbar sind Anwendungen für eine besondere
Architektur oder ein neuer, vielfacher Nutzen in der Medizin, z. B. in der Osteologie?
Steigen wir nach dem Artikel „Was ist
groß, was ist klein? Blick in eine nicht sichtbare Welt“ (Osteologie 1/2011) ein weiteres
Mal in die Welt der Moleküle und Atome
der Nanotechnologie ein. Welchen Nutzen
kann uns diese neue Technologie-Entwicklung bieten? Eine eindeutige Beantwortung
ist noch nicht möglich, wie einst zu Beginn
der Erfindung des Buchdrucks durch Johannes Gutenberg in Mainz, oder die Erfindung des Internets von Timothy Berners-Lee (Physiker). Wer könnte z. B. in der
Wissenschaft heute auf diese beiden Erfindungen verzichten?
© Schattauer 2011
Untersuchungen mittels der Raster-Elektronenmikroskopie detailliert aufgeklärt
worden. Das Wort „Lotus-Effekt®“ wurde
zum Markennamen und Begriff für selbstreinigende Oberflächen.
Diese Blätter sind oben nicht absolut
glatt, wie man denken könnte, die Untersuchungen brachten ganz andere Oberflächenstrukturen zu Tage. Die Oberflächen
der Blätter haben häufig eine hydrophobe
Doppel-Mikrostruktur, da sie unterschiedliche Materialien und Gewebe zur Strukturbildung ihrer Oberfläche heranziehen
können. Die äußeren Zellwände weisen eine vergleichsweise grobe Struktur (Mikrozellen mit Papillen im Abstand bis ca.
20 μm) mit einer überlagerten hydrophoben „Wachskristallschicht“ großer ultrastruktureller Vielfalt auf (Lipide mit Nanostruktur mit 0,2–5 μm Abstand
[씰Abb. 1]). Durch diese Nanostruktur lie-
a)
Abb. 1
Blatt der Lotuspflanze, (a) überlagerte
Wachskristallschicht“ mit ultrastruktureller Vielfalt;
(b) äußere Zellwand,
nach Entfernen der
„Wachskristallschicht“; ©eye of
science, Reutlingen
b)
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Gecko versus Spider-Man
Den Comic-Superhelden Spider-Man, im
Deutschen besser bekannt als „die Spinne”
– ab Mitte der 1960er-Jahre aus der Comicreihe Marvel Comics – kennen viele. Besonderen Popularitätszuwachs erreichten
mehrere aufwändig inszenierte Kinofilme
mit vielen visuellen Effekten ab 2002.
Spider-Man konnte mit seinen Extremitäten – gespreizten Fingern und Füßen – sogar Glaswände empor klettern.
Im Vergleich dazu sind Geckos viel älter:
Es sind Echsen bis etwa 40 cm Länge, die
die Erde seit etwa 50 Millionen Jahren be-
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gen die Schmutzpartikel nur auf wenigen
Spitzen dieser Oberfläche, wodurch ihre
Adhäsion damit sehr stark verringert wird,
so dass sie an abrollenden Regentropfen
haften bleiben und vollständig entfernt
werden.
Diese Noppenstrukturen konnten
künstlich nachgebildet werden und sind
bereits in einigen kommerziellen Produkten wie selbstreinigenden Dachziegeln,
Fassadenfarben und auf der oberen Glasschicht von Solarmodulen erhältlich. Noch
sind aber nicht alle Probleme bei mechanischer Belastbarkeit oder der chemischen
und physikalischen Beständigkeit gelöst.
Abb. 2
Hafthärchen am Fuß
des Geckos mit Plättchen; ©eye of science, Reutlingen
Abb. 3 Flügelstruktur des blauen Morphofalters Morpho peleides (Himmelsfalter) – die RasterElektronenmikroskopie liefert Bilder in schwarz-weiß. Obwohl die zu sehenden Nanostrukturen
schon sehr beeindruckend sind, werden diese nachkoloriert, um Besonderheiten herauszuarbeiten.
Diese Farbgebung soll die Bilder aber nicht verfälschen; ©eye of science, Reutlingen
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völkern und sich ihren Lebensräumen optimal angepasst haben. Eine Arteneinteilung bezieht sich auf deren Zehen, die sie
dank einer besonderen Adhäsion kopfüber
oder auch unter Glasscheiben zu laufen befähigen. Schon Aristoteles (350 v. Chr.) war
fasziniert, wie diese Echsen an glatten Bäumen kopfüber laufen konnten, ohne sich an
der Oberfläche zu verklammern. Die Natur
ermöglicht solche raffinierten Haftsysteme
in Nanogröße, so dass viele Lebewesen wie
z. B. Fliegen, Spinnen und Geckos ihr Körpergewicht damit auch auf glatten Flächen,
wie Glas, in jeder Lage halten können. Diese Tiere besitzen sehr feine Hafthärchen an
ihren Füßen, die sich an dem Ende in hunderte winzigste flache Plättchen aufteilen.
Diese Härchen sind beim Gecko ca. 0,1 mm
(10–4 m) lang, die Plättchen sind 200 nm
(2 x 10–6 m) breit und weisen eine Dicke bis
15 nm auf. Ähnlich unseren Haaren bestehen die Hafthaare auch bei Geckos aus
Kreatin. Durch ihre feine Verästelung mit
den Plättchen sind diese aber sehr biegsam
und können sich an mikroskopisch feine
Unebenheiten des Untergrunds in Nanogröße anpassen (씰Abb. 2).
Ein Vergleich dieser Tiergruppen und
der Strukturen ihrer Hafthärchen ergab, je
größer und schwerer diese sind, desto feiner und dichter sind ihre Haftstrukturen
ausgebildet. Es besteht ein lineares Verhältnis zwischen Härchendichte pro 1000 μm2
zum Körpergewicht des Tieres in Gramm,
das als „natürliches Haftgesetz“ angesehen
werden kann. Bei der Bewegung eines
schweren Tieres lösen sich zwar Härchen
bei einem kaum messbaren Kraftaufwand,
durch die deutlich größere Anzahl bleiben
aber sehr viele in Kontakt zum Untergrund
und lassen so das Tier nicht herunterfallen.
Die hier wirkende Bindungskraft sind die
Van-der-Waals-Kräfte
elektrostatischer
Natur, die wie Dipole wirken, wie zum Beispiel eine Wasserstoff-Brückenbindung
zwischen zwei Wassermolekülen. Diese
Brückenbindungen sind zwar sehr
schwach, durch die etwa eine Milliarde
Endkontakte entsteht trotzdem eine sehr
große Haftungsstärke mit einem ausreichenden Sicherheitspotenzial.
Zurück zum Beispiel mit Spider-Man:
Dieser müsste linear hochgerechnet eine
unvorstellbare Menge von ca. 1 x 106 Härchendichte pro 1000 μm2 besitzen – im Ver© Schattauer 2011
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gleich dazu weisen Geckos eine Härchendichte von ca. 5 x 103 pro 1000 μm2 auf.
Die Erforschung dieser Haftsysteme
und Eigenschaften ist von großem wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Interesse, da die gewonnenen Erkenntnisse viele
Anwendungen für technische Lösungen
liefern können. Im Jahr 2010 wurde ein Patent für mehrwandige Kohlenstoff-Nanotubes in den USA erteilt. Die Forscher sagen, sein Haftvermögen sei viermal stärker
als das natürliche Vorbild des Gecko: Es lasse sich wiederholt ablösen und erneut anhaften.
a)
Einige Schmetterlinge fallen durch schillernde Farben ihrer Flügel auf – dabei sind
diese vollkommen farblos! Für uns brillant
aussehende Farben werden nur durch
Lichtbrechung erzeugt, da parallel verlaufende, mikroskopisch kleine Kanäle und
Rillen das Licht in Regenbogenfarben brechen, so dass für uns blaue (Morphofalter)
oder andere Farben sichtbar werden.
Flügelschuppen der Schmetterlinge bestehen aus einem Chitingerüst, das Rillen
in mehreren Ebenen enthält. Die Strukturen sind in einer besonderen Perfektion nano- oder mikrostrukturiert. Das einfallende Licht wird von der obersten Reihe reflektiert, ein Teil von der darunterliegenden
Reihe usw. Form und Größe des Abstandes
der Rillen bestimmen die Farbe, mit welcher Wellenlänge das Licht reflektiert wird
(씰Abb. 3). Die Flügelschuppen enthalten
dabei selbst kein Farbpigment!
Dies jeweils spezielle Vorgehen der Natur ist für diese Tiere wichtig. Einige vermeiden die Aufwärmung durch die Sonne
dadurch, dass sie das Sonnenlicht durch Interferenz an den feinen Strukturen brechen, wiederum andere benötigen die Wärme der Sonnenstrahlen, um in der kalten
Luft, in der sie leben, fliegen zu können: Es
wirkt wie ein Wärmekollektor. Die Nanotechnologie hilft hier, die Energieprobleme
dieser Tiere zu lösen. Diese Forschungen
dienen u. a. dazu, auch unsere Energieprobleme mit der Technologie der Natur in
den Griff zu bekommen.
© Schattauer 2011
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Schillernde Farben können
täuschen
b)
Abb. 4 Aufsicht und 3D-Innenansicht – Entwurf für ein Bürgerforum in Berlin; ©Christian Tschersich;
Besichtigung in 3D-Video-Animation: http://c-s-t.net/thesis-project/
Nano-Strukturen – Vorbilder
für Architekten
Die Natur ist Lehrmeister auch für Architekten. Wesentliche Gebäude für die Öffentlichkeit erhalten meist ein besonderes
Design. Es ist die Herausforderung für Architekten, neben der Zweckmäßigkeit für
innen liegende Räume, dem Gebäude eine
Abb. 5 Ausschnitt der Dachkonstruktion mit
Öffnungen für die Transparenz und Lichteinfall;
©Christian Tschersich
besondere „äußere Hülle“ zu geben. Diesen
Herausforderungen begegnet man auch in
Universitäten, wo neue Ideen in besondere
Modellstrukturen umgesetzt werden können. Für die Mitte Berlins wurde ein zentrales Bürgerforum konzipiert und dann
im Rahmen eines Hochbauentwurfs umgesetzt. Nach Analyse der soziopolitischen Situation in Deutschland und dem Wunsch
für mehr basisdemokratische Mitbestimmung auf verschiedenen Ebenen sollte eine
Begegnungsstätte mit Auditorium, Mediathek, Arbeitsräumen und Platz für Ausstellungen, einer Bibliothek und Arbeitsräumen sowie Restaurant und Café geplant
werden. Gerade die Bionik, das Vorbild der
Natur wurde von dem Architekten in besonderer Weise aufgegriffen.
Die verschiedenen Gebäudeeinheiten
wurden daher mit einer optisch durchlässigen „Hülle“ versehen, welche keine rigide
Trennung zwischen Außenraum und Innenraum darstellt. Beim Betrachten erinnert die Struktur des Gebäudes – Tragestruktur und raumbildendes Element –
an die Skelette von Radiolarien (씰Abb. 4).
Das Besondere ist die Ausbildung der
Fassade mit ihren unterschiedlich großen
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Nanostrukturen in Schwämmen –
Anwendung in der Osteologie
Abb. 6 Unterwasseraufnahmen eines Baikalschwamms (Lubomirskia baicalensis); ©Institut
für Physiologische Chemie, Universität Mainz
(W.E.G. Müller)
Öffnungen. Diese sind Ergebnis eines algorithmischen Optimierungsverfahrens, welches die unterschiedlichen, teils konkurrierenden Anforderungen – Statik, Belichtung, Belüftung, formale Ästhetik – in einem evolutionären Prozess zueinander in
Beziehung setzt und optimiert. Die Bionik
erlaubt hier eine optimale Symbiose zwischen den funktionalen Anforderungen
und einer Leistungsfähigkeit, die an natürliche Organismen erinnert. Lernen aus
Jahrmillionen der Natur findet hierbei eine
besondere Umsetzung (씰Abb. 5).
Die Nanotechnologie spielt auch in der
Forschung zur Gewinnung u. a. von Knochenimplantaten und Zahnfüllungen eine
wichtige Rolle. Es ist der besondere Forschungsschwerpunkt von UniversitätsProf. Dr. W. E. G. Müller.
Schwämme gibt es seit ca. 700 Millionen
Jahren auf unserer Erde. Damit gehören sie
neben den Radiolarien zu den ältesten Tieren unseres Planeten. Sie sind sehr anspruchslos und widerstandsfähig. Mit etwa
9000 verschiedenen Schwammarten, die
weltweit unter ganz verschiedenen Bedingungen leben, ermöglichen sie viele sinnvolle Forschungsansätze. Das anorganische
Gerüst besteht wie bei Radiolarien aus
Silikat und wird von den Zellen des
Schwamms enzymatisch hergestellt, was als
Verfahren in der Nanobiotechnologie und
Medizin von großem Wert sein könnte. Mit
der Aufklärung des Genoms der Schwämme ab dem Jahr 1992 konnte gezeigt werden, dass der Bauplan der Schwämme dem
der höheren Tiere weitgehend entspricht.
Sie verfügen über ein beeindruckendes Immunsystem, das Ähnlichkeit zu dem des
Menschen aufweist. Schwämme produzieren viele biochemische Substanzen, giftige
Toxine und schützende Glykoproteine.
Dieser Cocktail schützt sie vor möglichen
Feinden und antibiotische Stoffe hindern
Bakterien an der Überwucherung der Außenhaut.
Abb. 7
Das Skelett von Euplectella aspergillum
besteht aus Glasnadeln. Unter dem Mikroskop erkennt man
deren filigrane Struktur; ©Institut für
Physiologische Chemie, Universität
Mainz (W.E.G. Müller)
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Zu den Schwämmen mit dem größten
Potenzial für Forschungsergebnisse zählen
die Schwämme des Baikalsees (씰Abb. 6).
Eine wichtige Eigenschaft des Schwammes
vom Baikalsee ist sein Strukturaufbau.
Nach Herauswaschen der Algen lassen sich
unter dem Mikroskop Tausende von Silikatnadeln, die Spiculae, ausmachen. Der
Körper besteht aus einem komplexen, sehr
fein strukturierten Gerüst, wobei es sich erstaunlicherweise um Glas handelt. Das Skelett zeichnet sich durch seine Härte wie
Quarzglas (Biosilikat), aber auch Flexibilität und Biegsamkeit aus.
Im Gegensatz zu den auf Kalzium basierenden Skeletten der Vielzeller, bauen einige wenige Organismen ihre Strukturen aus
Silizium auf. Dabei sind nur Schwämme in
der Lage, ihr Skelettsystem in einem einzigen enzymatischen Schritt als Siliziumskelett (Nadeln) bei Raumtemperatur und
ohne Druck herzustellen. Diese Biomineralisierung mit Silizium erfolgt in
hoch spezialisierten Zellen der Schwämme,
die Strukturen von Nanogröße bis zu Metergröße ergeben. Diese Nadeln sind für die
strukturelle Stabilität des Schwammkörpers verantwortlich, halten Raubfische
vom Schwamm ab und transportieren das
Licht wie in Glasfasern.
Die Mainzer Forscher haben die Enzyme nachgewiesen und isoliert, mit dem die
Schwämme aus Siliziumdioxidmolekülen
ein lupenreines Biosilikat herstellen. Die an
der Synthese beteiligten Enzyme Silicatein
und Silintaphin-1 sowie Proteine wurden
kloniert und liegen als rekombinante Proteine vor. Wofür wir bei Produktionsprozessen hohe Temperaturen (> 1800 oC)
und besondere Bedingungen aufwenden
müssen, benötigen Enzyme der Schwämme
seit Millionen von Jahren nur kaltes Wasser
– eine Fähigkeit, die auf dieser Welt einzigartig ist. Die Silizium-Nanopartikel werden
bei der Reaktion vom Enzym Silicatein umschlossen, das diesen Prozess unter den genannten Bedingungen erst ermöglicht
(씰Abb. 7).
Entsprechende Techniken zur Herstellung von Nanobeschichtungen aus Biosilikat auf Knochen- und Zahnoberflächen
hat das Team um Professor Müller entwickelt. Bei Zellkulturexperimenten konnte gezeigt werden, dass Biosilikat die Bildung von Knochenmaterial induziert. Da© Schattauer 2011
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Weiterführende Literatur
und Bildmaterial
Literatur
Abb. 8 Nadeln des Aphrocallistes vastus fusionieren und bilden Biosilikat; ©Institut für Physiologische Chemie, Universität Mainz (W.E.G.
Müller)
medizin der Johannes Gutenberg-Universität Mainz entwickelt wurden.
Wir sehen faszinierende Bilder aus der
Welt von Nanostrukturen – Kunstwerken
gleich – und können uns viele Anwendungsmöglichkeiten vorstellen. Chancen
bergen aber auch Risiken, die abgeklärt
werden müssen. Toxikologen untersuchen
Nanomaterialien aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften auf Gefahren für Umwelt
und den Menschen.
Dr. Peter Diziol, Baden-Baden
1. Nano! – Nutzen und Visionen einer neuen
Technologie; Katalog zur Sonderausstellung,
TECHNOSEUM – Landesmuseum für Technik
und Arbeit in Mannheim.
2. Richard Jones. Nanowelten, die fabelhafte Welt
des Mikrokosmos. Frederking & Thaler Verlag
2008.
3. Planung Bürgerforum Berlin; persönliche Mitteilung: Christian Tschersich und Prof. Alex Wall
(Fachgebiet Städtebau), Prof. Dr. Werner Sewing
(Fachgebiet Architekturtheorie), Institut für Architektur, KIT Karlsruhe.
4. Müller WEG et al. Sponge spicules as blueprints
for biofabrication of inorganic-organic composites and biomaterials. Appl Microbiol Biotechnol 2009; 83: 397–413.
5. Müller WEG et al. The Role of biosilicia in the
osteoprotegerin/RANKL ratio in human osteoblast-like cells. Biomaterials 2010; 31;
7716–7725.
6. Müller WEG et al. Osteogenic Potential of Biosilica on Human Osteoblast-Like–(SaOS-2) Cells.
Calcif Tissue Int 2010; 87: 513–524.
7. Müller WEG et al. Silintaphin-1 – Interaction
with silicatein during structure-guiding biosilicia formation; FEBS Journal 2011; 278:
1145–1155.
8. Müller WEG et al. Inorganic polymeric phosphate/polyphosphate as an inducer of alkaline
phosphatase and a modulator of intracellular
CA+2 level in osteoblasts (SaOS-2 cells). Acta
Biomaterialia 2011; 7: 2661–2671.
Bildmaterial
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© Schattauer 2011
Nanostrukturen in der Natur: Eye of
science, Reutlingen: www.eyeofscience.
com
Abbildungen Bürgerforum: Christian
Tschersich; www.c-s-t.net
Nanostrukturen in Schwämmen:
Univ.-Prof. Dr. W. E. G. Müller, Institut für
Physiologische Chemie, Universitätsmedizin der Johannes-GutenbergUniversität Mainz, 55099 Mainz;
[email protected]
Osteologie 2/2011
OSTAK
rüber hinaus stellt Biosilikat den bei Osteoporose gestörten Mechanismus wieder her,
der das Gleichgewicht zwischen Knochenbildung und Knochenresorption reguliert.
Ein schematischer Ablauf zum Einfluss von
Biosilikat auf die Aktivierung von Osteoblasten und Reduktion der Reifung von
Osteoklasten ist postuliert.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten aus
diesen Studien mit Schwämmen zeichnen
sich ab: Beschichtung von Prothesen aus
Titan oder Keramik. Das Biomaterial bietet
den Vorteil, dass die Prothesen nicht als
Fremdkörper erkannt und abgestoßen werden könnten. In der Zahnmedizin kann das
Bioglas als Beschichtung von Implantaten
oder als Füllung von Nutzen sein. Eine weitere Verwendung kann es als Grundmaterial in der Mikroelektronik als lichtleitende
Sensoren finden. Biosilikate der Schwämme scheinen wesentlich bessere Lichtleiter
als handelsübliche Produkte zu sein. Zudem sind sie widerstandsfähiger und biegsamer.
Werner Müller ist überzeugt, dass diese
Substanz zur Nummer Eins der Biomaterialien der Zukunft wird.
Professor Dr. Werner Müller wurde Ende 2010 vom Europäischen Forschungsrat
(ERC) für seine Arbeiten mit 2,2 Millionen
Euro für seine weiteren Forschungsvorhaben ausgezeichnet, die im Institut für
Physiologische Chemie der Universitäts-