Nanopartikel – Definition, Größe und Herstellung

Was sind Nanopartikel? Die Definition der EU

Der Begriff „Nanopartikel“ wird im Alltag unscharf benutzt. Für Gesetzgebung und Forschung in der Europäischen Union gibt es eine feste Bezugsgröße: die Empfehlung der Kommission vom 10. Juni 2022 (2022/C 229/01), veröffentlicht im Amtsblatt am 14. Juni 2022. Sie aktualisiert die frühere Empfehlung 2011/696/EU und definiert den Begriff „Nanomaterial“, nicht das einzelne Partikel.

Danach ist ein Nanomaterial ein natürliches, zufällig entstandenes oder gezielt hergestelltes Material, das aus festen Partikeln besteht. Diese Partikel können einzeln vorliegen oder als identifizierbare Bestandteile von Aggregaten oder Agglomeraten. Entscheidend ist die Anzahlgrößenverteilung: Bei 50 % oder mehr der Partikel muss mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt sein.

• Eine oder mehrere äußere Abmessungen liegen zwischen 1 nm und 100 nm.
• Das Partikel ist stab-, faser- oder röhrenförmig, zwei äußere Abmessungen liegen unter 1 nm und die dritte über 100 nm.
• Das Partikel ist plättchenförmig, eine äußere Abmessung liegt unter 1 nm und die beiden anderen über 100 nm.

Drei Ergänzungen aus dem Text sind für das Verständnis wichtig. Erstens genügt eine Abmessung im Bereich 1 bis 100 nm: Eine Faser von 50 nm Durchmesser und einem Mikrometer Länge zählt mit. Zweitens müssen Partikel, bei denen mindestens zwei zueinander senkrechte äußere Abmessungen größer als 100 µm sind, bei der Bestimmung der Anzahlgrößenverteilung nicht berücksichtigt werden. Drittens gelten Materialien mit einer volumenspezifischen Oberfläche unter 6 m²/cm³ in keinem Fall als Nanomaterialien. Einzelne Moleküle sind keine Partikel, auch nicht große Makromoleküle wie Proteine, die größer als 1 nm sein können. Flüssige und gasförmige Teilchen, etwa Mizellen oder Tröpfchen in Emulsionen, schließt die Definition laut ihren Erwägungsgründen aus; sie bezieht sich nur auf feste Partikel.

Die Empfehlung ist selbst kein Gesetz. Sie soll aber als einheitlicher Bezugspunkt dienen, wenn die Kommission, die Mitgliedstaaten oder Unternehmen Rechtsvorschriften, Programme oder Forschung zu Nanomaterialien gestalten. Die Gemeinsame Forschungsstelle der Kommission (JRC) hat 2023 eine Anleitung zur praktischen Anwendung veröffentlicht, mit Entscheidungsbaum und Hinweisen zu Messverfahren.

Wie klein ist „nano“? Größenvergleiche

Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter (10⁻⁹ m). Die Vorsilbe allein sagt wenig, deshalb helfen Vergleiche. Die amerikanische National Nanotechnology Initiative nennt folgende Größenordnungen:

Ein Nanopartikel von 10 nm Durchmesser ist also etwa zehntausendmal dünner als ein Haar. Zum Vergleich mit Biologie: Rote Blutkörperchen messen nach einer Übersichtsarbeit zur Nanomedizin rund 6 µm, das sind 6 000 nm. Die Magnetitkristalle, die magnetotaktische Bakterien in ihrer Zelle bilden, sind laut einer Übersicht im International Journal of Nanomedicine (2017) etwa 10 bis 135 nm groß.

Die Größe ist nicht allein mit „Durchmesser“ erfasst. Reale Proben bestehen aus Partikeln unterschiedlicher Größe, man spricht von einer Größenverteilung. Wer Zahlen wie „10 nm“ liest, sollte fragen, ob ein Mittelwert, ein Median oder der Größtwert gemeint ist und mit welcher Methode gemessen wurde. Diese Frage behandelt der Artikel zur Charakterisierung von Nanopartikeln.

Warum sich Eigenschaften ändern: das Oberfläche-Volumen-Verhältnis

Nanopartikel sind nicht einfach „kleine Stücke“ desselben Materials. Ihre Eigenschaften unterscheiden sich oft messbar vom makroskopischen Material. Eine Übersicht in Chemical Society Reviews (2006) illustriert das am Gold: Das massive Metall ist gelb, edel und unmagnetisch. Partikel von etwa 10 nm absorbieren grünes Licht und erscheinen rot, der Schmelzpunkt sinkt mit der Größe deutlich, und Partikel von 2 bis 3 nm sind gute Katalysatoren und zeigen deutlichen Magnetismus.

Ein Teil der Erklärung ist geometrisch. Bei einer Kugel mit dem Durchmesser d beträgt das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen 6/d. Halbiert man den Durchmesser, verdoppelt sich dieses Verhältnis. In der Einheit der EU-Definition ergibt das:

Die Zahlen sind eigene Berechnungen für ideale Kugeln. Interessant ist der Schwellenwert der EU: 6 m²/cm³ entspricht genau einer Kugel von 1 µm. Ein Pulver mit geringerer volumenspezifischer Oberfläche besteht rechnerisch aus Partikeln, die im Mittel deutlich größer als 100 nm sind.

Bei sehr kleinen Partikeln liegt ein großer Anteil der Atome an der Oberfläche. Diese Atome haben weniger Nachbarn und reagieren anders als solche im Inneren. Oberflächen sind der Ort chemischer Reaktionen, der Anbindung von Molekülen und, bei magnetischen Materialien, auch der Abweichungen der Spinordnung. Bei magnetischen Nanopartikeln hat das praktische Folgen: Eine Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2018 beschreibt, dass die Oberflächenschicht eine verminderte Sättigungsmagnetisierung und eine erhöhte Anisotropie gegenüber dem Volumenmaterial bewirkt. Neben dem Oberflächeneffekt spielen quantenmechanische Größeneffekte eine Rolle, etwa bei der Farbe und der Leitfähigkeit von Metallpartikeln; dies geht über die Geometrie hinaus.

Natürliche, zufällige und gezielt hergestellte Nanopartikel

Die EU-Definition unterscheidet drei Herkünfte: natürlich, zufällig entstanden („accidental“) und gezielt hergestellt. Sie bewertet damit nur die Größe, nicht die Herkunft oder eine mögliche Gefährlichkeit. Die Empfehlung hält ausdrücklich fest, dass die Definition unabhängig von möglichen gefährlichen Eigenschaften gilt.

Nanopartikel sind also kein Produkt der Neuzeit. Magnetotaktische Bakterien bilden in membranumhüllten Vesikeln, den Magnetosomen, Kristalle aus Magnetit oder Greigit und ordnen sie in Ketten an, die wie eine Kompassnadel wirken. Auch in menschlichem Gewebe wurde Magnetit nachgewiesen; die Übersicht von 2017 beschreibt diese Partikel als unkontrolliert in Größe und Form, anders als bei den Bakterien. Gezielt hergestellte Partikel dagegen werden für einen Zweck entworfen: Größe, Form, Zusammensetzung und Oberfläche werden gewählt, um bestimmte Eigenschaften zu erhalten.

Wie werden Nanopartikel hergestellt?

Es gibt zwei Grundstrategien. Beim Top-down-Ansatz zerkleinert man Ausgangsmaterial, etwa durch Lithografie oder Kugelmahlen. Beim Bottom-up-Ansatz entstehen die Partikel aus Atomen oder Ionen durch Keimbildung und Wachstum, zum Beispiel in der Gasphase, durch chemische Gasphasenabscheidung oder durch nasschemische Verfahren.

Zu den Details der nasschemischen Routen für Eisenoxid gibt es eine eigene Seite, Eisenoxid-Nanopartikel. Hier nur zwei Beispiele für die Größenordnung: Eine Übersicht in Science and Technology of Advanced Materials (2015) nennt für die thermische Zersetzung mit Ölsäure Eisenoxidpartikel von 4 bis 20 nm mit enger Verteilung; mit Decansäure entstanden größere, würfelähnliche Partikel von etwa 45 nm mit breiterer Verteilung. Beim tensidunterstützten Kugelmahlen wurden Eisenpartikel von 4 bis 6 nm erhalten. Zahlenwerte hängen stark von Bedingungen und Messverfahren ab und sind kein Maßstab für andere Ansätze.

Materialklassen und Beschichtungen

Nanopartikel bestehen aus sehr verschiedenen Stoffen. Für magnetische Anwendungen sind drei Klassen üblich: reine Metalle wie Eisen, Cobalt und Nickel, Legierungen wie FeCo sowie Oxide wie Fe₃O₄, γ-Fe₂O₃ und CoFe₂O₄. Reine Metalle erreichen höhere Sättigungsmagnetisierungen, sind aber, wie eine Übersichtsarbeit festhält, wegen Oxidation und Toxizität für klinische Zwecke ungeeignet; Eisenoxide gelten als chemisch und kolloidal stabil und kostengünstig. Der Schutz vor Korrosion ist laut einer Übersichtsarbeit in Angewandte Chemie (2007) eine der großen Herausforderungen und wird durch Tensid- oder Polymerhüllen, Silica- oder Kohlenstoffbeschichtungen erreicht.

Neben magnetischen Stoffen gibt es viele weitere Klassen, etwa Edelmetalle wie Gold, Oxide, Kohlenstoffmaterialien oder Polymerpartikel. Welche Eigenschaften eines Partikels zählen, hängt von der Anwendung ab. Was Nanopartikel für Gesundheit und Umwelt bedeuten, ist ein eigenes Thema, das nicht mit der Definition beantwortet wird; dazu gehört der Artikel Sicherheit von Nanopartikeln.

Wie es weitergeht

Der nächste logische Schritt sind Partikel mit magnetischem Kern: Magnetische Nanopartikel erklärt, woraus sie bestehen, wie ein Magnet sie steuert und wo ihre Grenzen liegen.