Unberechenbare Nanopartikel

  • 26. April 2017

Verhalten von Kleinstteilchen in der Umwelt ist äußerst komplex.

Die Nanotech-Industrie boomt. Jährlich werden weltweit mehrere Tausend Tonnen künst­liche Nanot­partikel herge­stellt. Ein Teil davon gelangt früher oder später in Gewässer und Böden. Was dort mit ihnen genau geschieht, können selbst Experten nur schwer sagen. Die Frage ist komplex, denn es gibt viele verschie­dene Arten von künst­lichen Nano­partikeln. Und vor allem: Die Partikel verhalten sich in der Umwelt je nach herr­schen­den Bedin­gungen völlig unter­schied­lich. Ein Forscher­team um Martin Scheringer von der ETH Zürich hat versucht, Licht in dieses Dunkel zu bringen. Die Wissen­schaftler suchten in 270 wissen­schaft­lichen Studien und den beinahe 1000 darin erwähn­ten Labor­experi­menten zum Ver­halten von künst­lichen Nano­partikeln nach Mustern – mit dem Ziel, all­ge­mein­gültige Voraus­sagen zum Ver­halten der Partikel zu machen.

Nanoteilchen-Analyse

Abb.: Auswertung der in der Literatur veröf­fent­lichten Daten mit einer Netz­werk-Analyse. Diese macht sicht­bar, welche Arten von Nano­partikeln (blau) bei welchen Umwelt­bedin­gungen (rot) unter­sucht wurden. (Bild: T. Kast, ETH)

Den Forschern präsentierte sich beim Kombinieren der Daten jedoch ein sehr unein­heit­liches Bild. „Der Sach­ver­halt ist komplexer, als das wohl viele Wissen­schaftler noch vor Jahren voraus­gesagt hätten“, sagt Scheringer, „und wir müssen ein­sehen, dass wir mit den uns heute zur Ver­fügung stehenden Daten noch kein ein­heit­liches Bild zeichnen können.“ Künst­liche Nano­partikel erweisen sich als sehr dyna­misch und sie sind sehr reak­tions­freudig. Die Teil­chen heften sich an alles, was sie finden: an andere Nano­partikel, um mit ihnen Agglo­merate zu bilden, oder andere in der Umwelt vor­handene Moleküle.

Womit genau die Teilchen reagieren und wie schnell, hängt von verschie­denen Faktoren ab: dem Säure­grad von Wasser oder Boden, der Konzen­tration der vorhan­denen Mineral­stoffe und Salze und vor allem der Zu­sam­men­­setzung der im Wasser gelösten oder im Boden vorhan­denen orga­nischen Moleküle. Außerdem macht die Tatsache, dass künst­liche Nano­partikel oft ober­flächen­beschich­tet sind, die Sache noch kompli­zierter. Denn je nach Umwelt­bedin­gungen behalten oder verlieren die Partikel ihre Beschich­tung, was wiederum ihr Reak­tions­ver­halten beein­flusst.

„Wären strukturierte, konsistentere und ausreichend diverse Daten vorhanden, wäre es denkbar, mit den Methoden des maschi­nellen Lernens all­gemein­gültige Muster zu ent­decken“, sagt Scheringer. „Wir sind aller­dings noch nicht an diesem Punkt.“ Die vorhan­denen Daten seien wenig divers, wenig konsis­tent und wenig struk­turiert. Zunächst müssten daher aus­reichend struk­turierte Experi­mental­daten vor­handen sein.

Neben der mangelnden Systematik gibt es noch ein zweites Problem beim Erforschen des Ver­haltens von künst­lichen Nano­partikeln: Viele künst­liche Nano­partikel bestehen aus chemischen Ele­menten und Verbin­dungen, die natür­licher­weise in der Umwelt vor­kommen. Künst­liche Teilchen in der Umwelt von natür­lichen zu unter­scheiden, war mit bis­herigen Mess­methoden schwierig. Ein Team um Detlef Günther von der ETH Zürich hat jüngst jedoch eine leis­tungs­fähige Methode etab­liert, mit der eine solche Unter­scheidung in Routine­unter­suchungen mög­lich wird. Die Wissen­schaftler nutzten dazu eine top­moderne und hoch­empfind­liche Massen­spektro­metrie-Technik. Mit dieser können sie von jedem einzelnen Nano­teilchen einer Probe bestimmen, aus welchen chemischen Ele­menten es zusammen­gesetzt ist.

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Uni Wien wandten die ETH-Forscher die Methode auf Boden­proben an, die natür­liche Nano­partikel mit dem chemischen Element Cer ent­halten, und in die sie künst­liche Cer­dioxid-Nano­partikel mischten. Mit Methoden des maschi­nellen Lernens – die sich für diese spezielle Frage­stellung hervor­ragend eigneten – konnten die Forscher Unter­schiede in den chemischen Finger­abdrücken der beiden Teilchen­klassen aus­machen. Denn während künst­lich herge­stellte Nano­partikel oft aus einer einzigen Verbin­dung bestehen, ent­halten natür­liche Nano­partikel meist noch eine Reihe von zusätz­lichen chemischen Ele­menten. Die neue Mess­methode ist sehr empfind­lich: Die Wissen­schaftler konnten damit künst­liche Partikel in Proben mit bis zu hundert­mal mehr natür­lichen Teilchen messen.

ETH / RK

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