Nanomaterialien: Neue Fertigungsrevolution

Was sind Nanomaterialien?

Nanomaterialien sind Materialien, die aus Partikeln, Molekülen oder Ionen mit Abmessungen zwischen 1 und 100 Nanometern bestehen. Aufgrund ihrer Größe im atomaren Maßstab besitzen sie einzigartige Eigenschaften im Vergleich zu ihren herkömmlichen Gegenstücken. Aufgrund dieses Größenvorteils können Nanomaterialien in vielen Bereichen eingesetzt werden, z. B. in der Elektronik, der Materialwissenschaft, bei Verbraucherprodukten und in der Medizin.

Nanomaterialien unterscheiden sich von herkömmlichen Massenmaterialien, da sie aufgrund ihrer geringen Größe besondere Eigenschaften aufweisen, die auf das große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zurückzuführen sind. Beispiele hierfür sind:

1. Erhöhte elektrische Leitfähigkeit und höhere mechanische Festigkeit

2. Attraktivität für den Einsatz in der Elektronik

3. Sensorik

4. Biomedizinische Anwendungen.

Zusätzlich können Nanomaterialien auch spezielle Beschichtungen erzeugen, die Oberflächen hydrophober oder selbstreinigend machen. Diese Eigenschaften machen sie besonders interessant für Nanomaterialien im Alltag, in der Kosmetik und in der Baubranche.

Wo sind sie zu finden?

Nanomaterialien kommen natürlich in der Umwelt vor, werden aber auch zunehmend hergestellt und in Produkten verwendet. Sie finden sich in verschiedenen Konsumgütern wie Sonnenschutzmitteln, Nanomaterialien in Kosmetik, Farben, Lacken und Lebensmittelverpackungen. Auch in medizinischen Geräten und Behandlungen wie Medikamentenverabreichungssystemen und Krebstherapien werden sie verwendet. Zudem spielen sie eine wachsende Rolle im Bauwesen, wo sie für langlebige und widerstandsfähige Materialien sorgen.

Was sind ihre Vorteile?

Die Nanotechnologie hat das Potenzial, Kosten zu senken, robustere und leichtere Windturbinen zu bauen, die Treibstoffeffizienz zu verbessern und durch Wärmedämmung Energie zu sparen. Sie kann auch die Frühdiagnose und Behandlung von neurologischen Erkrankungen oder Krebs verbessern, da einige Nanomaterialien bestimmte Eigenschaften haben, die sie ideal machen. Ihre Anwendung reicht von der Medizin über die Elektronik bis hin zu innovativen Lösungen im Alltag.

Was sind die vier Arten von Nanomaterialien?

Nanomaterialien auf anorganischer Basis

Anorganische Nanomaterialien (NM), bei denen es sich um Metalle oder Nichtmetalle, Oxide, Hydroxide, Chalkogenide oder Phosphate handeln kann, haben eine breite Palette von Anwendungen in der Elektronik, Photonik, chemischen Sensorik und Biosensorik. Sie sind für die Entwicklung unserer Gesellschaft von entscheidender Bedeutung und werden zunehmend in medizinischen Geräten eingesetzt. Auch in der Baubranche spielen sie eine Rolle, indem sie Materialien langlebiger und widerstandsfähiger machen.

Nanomaterialien auf Kohlenstoffbasis

Biomedizinische Anwendungen von Kohlenstoff-Nanomaterialien umfassen Behandlungen, Bildgebung und Diagnostik. Trotz ihrer innovativen Einsatzmöglichkeiten haben sie potenziell toxische Wirkungen und müssen sorgfältig untersucht werden, insbesondere in Lebensmitteln und der Kosmetikindustrie.

Nanomaterialien auf organischer Basis

Organische Nanomaterialien erregen in vielen Bereichen, von der klinischen Forschung bis zur Biotechnologie, große Aufmerksamkeit. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit können sie für die molekulare Bildgebung, die Formulierung von Medikamenten und bildgesteuerte Behandlungen eingesetzt werden. Ihre Verwendung erstreckt sich zunehmend auf den Alltag, wo sie in Lebensmittelverpackungen und umweltfreundlichen Materialien vorkommen.

Komposit-basierte Nanomaterialien

Komposit-Nanopartikel sind Nanomaterialien, die aus zwei oder mehr nanoskaligen Komponenten mit einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften bestehen. Diese Komponenten kommen zusammen, um eine einzigartige Schnittstelle zu schaffen. Besonders in der Medizintechnik und im Bauwesen ermöglichen sie innovative Lösungen.

Wie wirken sich Nanomaterialien auf Gesundheit und Sicherheit aus?

Es gibt mehrere Studien des Wissenschaftlichen Ausschusses für neu auftretende und neu identifizierte Gesundheitsrisiken (SCENIHR), der Europäischen Kommission und der EU-OSHA zu den nachgewiesenen Gesundheitsgefahren, die mit verschiedenen hergestellten Nanomaterialien verbunden sind. Obwohl sie nicht immer eine toxische Wirkung haben, ist eine weitere individuelle Bewertung erforderlich, solange die Forschung noch nicht abgeschlossen ist. Besonders relevant sind diese Untersuchungen für Nanomaterialien in Lebensmitteln und Nanomaterialien in Kosmetik, da sie direkt mit dem menschlichen Körper in Kontakt kommen.

Die auffälligsten Folgen von Nanomaterialien wurden in der Lunge festgestellt und umfassen Entzündungen, Gewebezerstörung, Fibrose und Tumorbildung. Kohlenstoff-Nanoröhrchen können auch asbestähnliche Auswirkungen auf das Herz-Kreislauf-System haben. Studien zeigen, dass dass Nanopartikel in andere Organe und Gewebe eindringen können, darunter Nieren, Herz, Gehirn, Skelett, Leber und Weichteilgewebe.

Wie kommt es zu einer Exposition gegenüber Nanomaterialien am Arbeitsplatz?

In der Produktionsphase können Arbeiter mit Nanomaterialien in Kontakt kommen. Im weiteren Verlauf der Lieferkette können noch mehr Menschen unwissentlich und ohne jegliche Sicherheitsmaßnahmen Nanopartikeln ausgesetzt sein. Besonders in Branchen wie der Lebensmittelverarbeitung, der Kosmetikindustrie, der Instandhaltung und im Bauwesen besteht ein erhöhtes Risiko.
Nanomaterialien können eingeatmet werden oder in Berührung mit der Haut kommen, z.B. in Berufen im Gesundheitswesen, in Labors, in der Instandhaltung und im Bauwesen. Um Gesundheitsrisiken zu minimieren, sind Schutzmaßnahmen und regelmäßige Kontrollen notwendig.

Wie entsorgen Sie Nanopartikel?

Abfälle aus Nanomaterialien werden oft genauso behandelt wie normale Abfälle, jedoch ohne spezielle Maßnahmen. Diese Nanoabfälle stellen jedoch eine potenziell gefährliche oder chemisch reaktive Bedrohung dar. Daher ist es wichtig, sie vor der Entsorgung ordnungsgemäß zu neutralisieren. Besonders in Bereichen wie der Lebensmittelindustrie, der Kosmetikproduktion und dem Bauwesen müssen geeignete Verfahren zur sicheren Beseitigung entwickelt werden, um eine Belastung für Umwelt und Gesundheit zu vermeiden.

Es ist Aufgabe der Regierung, einen proaktiven Ansatz bei der Entwicklung und Umsetzung effektiver Strategien für die Bewirtschaftung von Nanoabfällen zu verfolgen. Ziel ist es, langfristige unbeabsichtigte Folgen des Recyclings dieser Materialien so weit wie möglich zu reduzieren und eine nachhaltige Nutzung von Nanomaterialien sicherzustellen.

Management von Nanomaterialien am Arbeitsplatz

Nanomaterialien können sehr gefährlich sein, wenn sie falsch gehandhabt werden. Daher müssen die Arbeitgeber die notwendigen Maßnahmen ergreifen, um die Sicherheit ihrer Mitarbeiter zu gewährleisten. Um die Risiken zu minimieren und die Arbeitnehmer zu schützen, sollten Arbeitgeber sicherstellen, dass sie die mit Nanopartikeln verbundenen Gefahren kennen und wissen, wie sie diese effektiv handhaben können.

Hier sind präventive Maßnahmen, die Arbeitgeber ergreifen können:

Bewertung von Gefahren und potenziellen Risiken

• Berücksichtigen Sie bei der Bewertung von Säuregrad, Basizität, Brennbarkeit oder Reduktions-/Oxidationskraft die potenziellen Risiken von Vorläufermaterialien. Bewerten Sie gründlich die potenziellen Gefahren und Risiken, die mit der Synthese von Nanomaterialien verbunden sind. Insbesondere bei der Verarbeitung von Nanopartikeln in Kosmetik, Lebensmitteln oder der Baubranche ist eine strenge Risikobewertung unerlässlich.

• Aufgrund ihrer hohen Reaktivität erhöhen einige ultrafeine Pulver das Risiko von Bränden und Explosionen, sodass sie berücksichtigt werden müssen. Besonders in der Verarbeitung von Nanopartikeln ist eine sorgfältige Risikobewertung erforderlich, um Gesundheits- und Sicherheitsrisiken zu minimieren.

• Bewerten Sie die Verfahren für den Transfer von Nanomaterialien, die Temperaturregelung und andere Prozessvorschriften, um eine sichere Handhabung zu gewährleisten.

Auswahl von Nanomaterialien und Substitution

• Wann immer möglich, tauschen Sie trockene Nanomaterialien gegen solche aus, die in einer Lösung gelöst sind oder an Substraten haften. Dies kann das Risiko der Partikelexposition verringern, insbesondere bei der Verarbeitung in der Kosmetik- und Lebensmittelindustrie.

Technische Kontrollen

• Das Verfahren sollte für eine effektive Kontrolle der Aerosolemissionen auf die spezifischen synthetischen Methoden und Ziele zugeschnitten, getestet und ordnungsgemäß betrieben werden. Es sollte die vom National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) und der Occupational Safety and Health Administration (OSHA) festgelegten Standards einhalten.

• Wenn Laborgeräte und Abluftsysteme ausgebaut, umgestaltet oder repariert werden, ist eine Bewertung der Kontamination mit Nanomaterialien erforderlich.

• Es wird empfohlen, alle Geräte, die bei der Herstellung oder Handhabung von Nanopartikeln verwendet werden, vor der Entsorgung oder Wiederverwendung auf Kontamination zu überprüfen.

Administrative Kontrollen

• Zu einer effektiven Laborpraxis gehören administrative Kontrollen wie Schilder, Etiketten, Zugangskontrollen und ein chemischer Hygieneplan mit festgelegten Verfahren. Diese Kontrollen sind wichtig, um praktikable Lösungen für den sicheren Umgang mit Nanopartikeln zu finden.

• Verwenden Sie Staubsauger mit HEPA-Filtern, wenn Sie Nanopartikel für Tests sammeln. Persönliche Schutzausrüstung (PSA) sollte beim Umgang mit verschütteten Stoffen und bei der Wartung von Geräten getragen werden, insbesondere in Bereichen wie der Kosmetik- und Lebensmittelindustrie, wo Nanomaterialien häufig zum Einsatz kommen.

• Befolgen Sie beim Transport und der Entsorgung von gefährlichen Nanopartikeln die Richtlinien der Environmental Protection Agency (EPA), um eine sichere Handhabung und Minimierung von Gesundheitsrisiken zu gewährleisten.

Persönliche Schutzausrüstung

• Befolgen Sie die Standard-Sicherheitsprotokolle für Labore und verwenden Sie PSA (wie Nitril- oder chemikalienbeständige Handschuhe, Laborkittel, Schutzbrillen, Gesichtsschutz und geschlossene Schuhe), um Hautkontakt mit Nanopartikeln oder Lösungen, die diese enthalten, zu vermeiden. Im NIOSH Personal Protective Technology Program und den General Safe Practices for Working with Engineered Nanomaterials in Research Laboratories finden Sie die neuesten Informationen über geeignete PSA-Technologien für die Sicherheit Ihrer Mitarbeiter.

Ausbildung und Schulung

• Alle sollten ein Sicherheitstraining und eine Schulung erhalten, um die möglichen Gefahren und Gesundheitsprobleme am Arbeitsplatz zu verstehen, wie man sich anstecken kann, wie man Gesundheitssymptome meldet, wie man technische Kontrollverfahren einsetzt und wie man diese Kontrollen durchführt. Dies ist besonders wichtig für Berufe, die mit Nanopartikeln und Nanomaterialien in der Elektronik, Kosmetik oder im Bauwesen arbeiten. Weitere Informationen finden Sie in NIOSH's Protecting Workers During Nanomaterial Reactor Operations.