Werkstoffkunde: Nanotechnologie im Rampenlicht

Sumio Iijima

Bereits seit Jahrzehnten beschäftigt Nanotechnologie (aus dem Altgriechischen „νᾶνος nános" - „Zwerg") die Fantasie von Künstlern und Wissenschaftlern: Im 1966 erschienenen Film „Die phantastische Reise" durchquert ein auf Nanogröße geschrumpftes Forscher-Team die Blutbahn des menschlichen Körpers. Und im Juli 2015 kommt die Comicbuch-Verfilmung „Ant-Man" um einen winzigen Superhelden im Nano-Anzug in die Kinos.

Längst hat die Forschung Schritte gemacht, solch kühne Vorstellungen in wissenschaftliche Praxis zu verwandeln. Sogenannte Nanoroboter, winzige Maschinen mit einer Größe zwischen 0,1 und 10 Mikrometern, können bald Patienten injiziert auf ihrer „phantastischen Reise" diagnostische und mikro-chirurgische Dienste leisten.

Bereits heute steckt in vielen Innovationen patentgeschützte Nanotechnologie, von intelligenten Baumaterialien über mikroskopisch kleine Medikamentenkapseln, bis hin zu Nano-Mikrochips im IT-Bereich.

Um die mikroskopisch kleinen Erfindungen formiert sich ein milliardenschwerer Markt, der mit Riesenschritten vorangeht: Im Jahr 2014 betrug der Weltmarkt für Nanotechnologie-Produkte bereits 23 Mrd. Euro und soll bis 2019 auf 59 Mrd. Euro wachsen - eine jährliche Wachstumsrate von 19,8% (PR NEWSWIRE).    

Zu den wichtigsten patentierten Erfindungen im Bereich Nanotechnologie zählen auch die folgenden Gewinner und Finalisten des Europäischen Erfinderpreises.

Sumio Iijima: Kohlenstoffnanoröhren revolutionieren die Werkstoffkunde

Gewinner, Europäischer Erfinderpreis 2015 (Außereuropäische Staaten)

Sumio Iijima

Nanotechnologie liefert die Bausteine der Zukunft. Die vom japanischen Forscher Sumio Iijima entdeckten „Kohlenstoffnanoröhren" sind extrem kleine röhrenförmige Molekulargebilde, die sich nur unter einem starken Mikroskop erkennen lassen. Ihr Potenzial ist jedoch gigantisch: Als härteste Substanz der Welt sind Kohlenstoffnanoröhren tausendmal leitfähiger als Kupfer und gelten als größte materialwissenschaftliche Entdeckung der letzten Jahrzehnte. 

Iijimas patentierte Entdeckung revolutioniert von Grund auf die Werkstoffkunde, die vorher nur drei Erscheinungsformen reinen Kohlenstoffs kannte: Diamanten, Grafit und die hohlen, kugelförmigen Fullerene. Als „viertes" Element eröffnet der Nano-Werkstoff rasant schnelle Computer, effizientere Solarzellen und unvorstellbar robuste Materialien. Bereits über 100 Unternehmen weltweit stellen die vom Technologieunternehmen NEC patentierten Kohlenstoffnanoröhren her. Der Markt boomt: Bis 2016 soll der Marktwert der Branche auf 912,6 Mio. EUR (1,1 Mrd. USD) steigen.   


 

Patrick Couvreur: Nanokapseln für Krebsmedikamente

Gewinner, Europäischer Erfinderpreis 2013 (Forschungsreinrichtungen)

Patrick Couvreur

In der Krebsmedizin eröffnet Nanotechnologie eine „sanfte" Alternative zur aggressiven Chemotherapie: Anstatt den gesamten Körper mit giftigen Chemikalien zu überfluten, setzen die „Nanokapseln" des französischen Forschers Patrick Couvreur ihre Wirkstoffe erst dann frei, wenn sie Krebsgeschwüre auf ihrem Weg durch den Blutkreislauf erreicht haben.

Umhüllt sind Couvreurs nur 10 bis 1000 Nanometer kleine Nanokapseln - über 70-mal kleiner als rote Blutkörperchen - mit langsam im Körper abbaubarem Bio-Kunststoff. Sie bieten daher eine höhere Wirkstoffdosierung und bis zu zehnmal höhere Behandlungseffizienz als Chemotherapie - und schonen dabei gesunde Zellen. Die innovative Nano-Erfindung aus dem Labor des Centre National de la Recherche Scientifique in Paris erhielt im Jahr 2013 den europäischen Erfinderpreis und wird zurzeit durch das 1997 von Couvreur gegründete Unternehmen BioAlliance Pharma zur Marktreife gebracht.


 

Leigh Canham: Nanostrukturiertes Silicium im Gesundheitswesen

Finalist, Europäischer Erfinderpreis 2011 (Kleine und Mittelständische Unternehmen)

Leigh Canham

Sogar längst bekannte Wirkstoffe beweisen als Nano-Ausführung erstaunliche Eigenschaften. So entdeckte der britische Leigh Canham im Jahr 1995 die Lumineszenz und biologische Abbaubarkeit von nanostrukturiertem Silicium. Canhams bahnbrechende Erkenntnis: Der menschliche Körper kann Silicium gefahrlos absorbieren, wenn es vorher nanostruktu­riert wurde - zurück bleibt lediglich ungiftige Kieselsäure.

Canhams neue Form von porösem Nano-Silicium, das sogenannte BioSilicon, eröffnet eine Reihe innovativer Anwendungen, von kontrollierter Arzneimittelverabreichung und gezielter Krebstherapie über medizinische Bildgebung und Gewebe-Engineering bis hin zu verbesserten Gesundheits- und Kosmetikprodukten. Das komplexe Material weist eine Waben­struktur mit Hohlräumen in Nanogröße auf, befüllbar mit Arzneimitteln, Peptiden, Genen, Proteinen, Radionukliden und anderen Therapeutika oder Impfstoffen.

Konkrete Anwendungsgebiete umfassen bereits ein in den USA zugelassenes Augenimplantat zur Behandlung AIDS-bedingter Cytomegalo­virus-Retinitis sowie künftig auch injizierbare Minisysteme zur Behandlung von Diabetes.


 

Wolfgang Krätschmer: Herstellungsverfahren von „Fullerenen"

Gewinner, Europäischer Erfinderpreis 2010 (Lebenswerk)

Wolfgang Krätschmer

Im Forschungslabor ermöglicht Nanotechnologie auch die Herstellung von „Fullerenen", einer neuen Gruppe von Kohlenstoffen, im großen Maßstab. Zur ausreichenden Erforschung der bereits 1985 entdeckten Nanopartikel - bekannt als „C60" aufgrund der Zusammensetzung aus 60 Kohlenstoffatomen - fehlte lange Zeit ein geeignetes Herstellungsverfahren, bis der deutsche Kernphysiker Wolfgang Krätschmer und sein US-Kollege Donald Huffman an der Universität von Arizona mit einer patentgeschützten Methode den Weg ebneten.

Seit Vorstellung des „Krätschmer-Huffman-Verfahrens" im Jahr 1993 machte die Erforschung von Fullerenen in Laboren weltweit einen Quantensprung: Innerhalb von nur drei Jahren reichten Wissenschaftler fast 300 Anmeldungen für neue Patentfamilien zu C60 ein - tausende folgten seitdem. Allein von 2008 auf 2015 stieg der Weltmarkt für Fullerene von 265 Mio. Euro auf 4,1 Mrd. Euro. Heute finden die unter dem Mikroskop betrachtet fußballförmigen Nanopartikel Verwendung in innovativen Brennstoffen, Supraleitern, Hochleistungsschmiermitteln sowie in der Pharmaindustrie. Der 2010 mit dem Erfinderpreis für sein Lebenswerk ausgezeichnete Physiker unterstützt die Forschungsbemühungen durch die Krätschmer Group, einer Organisation zur Erforschung des gewaltigen Potenzials der winzigen Kohlenstoffe. 

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