Die Nanotechnologie ist eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Neben dünnen Schichten sind vor allem Nanopartikel die wesentlichen Bausteine der Nanotechnologie. Während die besonders große spezifische Oberfläche von Nanopartikeln für verschiedene technische Anwendungen, wie z. B. in Gassensoren, von großem Nutzen ist, haben Toxikologen herausgefunden, dass negative gesundheitliche Auswirkungen von inhalierten Nanopartikeln im Wesentlichen ebenfalls mit deren Oberfläche korrelieren. Für eine nachhaltige Nanotechnologie ist daher die Erforschung der gesundheitlichen Auswirkungen von Nanopartikeln von großer Bedeutung. Hierzu wurden und werden im IUTA verschiedene Studien durchgeführt, in denen die Exposition gegenüber Nanopartikeln an Arbeitsplätzen in der Nanotechnologie untersucht wird. In der Vergangenheit wurde z. B. im Auftrag der International Carbon Black Association (ICBA) die Partikelbelastung an Arbeitsplätzen in verschiedenen europäischen und amerikanischen Standorten der Industrierußproduktion untersucht und veröffentlicht (Kuhlbusch et al, 2004; Kuhlbusch und Fissan, 2006). Eine der Veröffentlichungen wurde von der American Industrial Hygiene Association (AIHA) als bester aerosolbezogener Artikel im Jahre 2004 ausgezeichnet.

In einem aktuellen Projekt, finanziert vom BundesMinisterium für Bildung und Forschung (BMBF), wird gemeinsam mit zwölf weiteren Konsortialpartnern aus Industrie und Wirtschaft die Toxizität von Nanopartikeln untersucht. Vom IUTA werden im Zuge dieses Projektes Messungen der Exposition gegenüber Nanopartikeln an drei exemplarischen Standorten der beteiligten Industriepartner durchgeführt und ausgewertet. Außerdem wird die Partikelausbreitung modelltechnisch an einem exemplarischen Arbeitsplatz erfasst, um nahezu lückenlose Informationen zur Partikelverteilung im Raum zu erhalten und den Einfluss verschiedener physikalischer Prozesse zu beurteilen. Hierzu kommt die bewährte Strömungssimulationssoftware FLUENT zusammen mit dem Fine Particle Model (FPM) zum Einsatz.
Des Weiteren wird vom IUTA die Stabilität von Partikelagglomeraten, wie sie z.B. in Pulvern vorkommen, unter Einwirkung von Scherkräften untersucht. Durch den Vergleich der Größenverteilung nach Variation der eingesetzten Scherkraft kann so der Zusammenhang zwischen Agglomeratzerlegung (in kleinere Aggregate oder Primärpartikel) und Scherkraft festgestellt werden. Durch den Vergleich des Verhaltens verschiedener Nanopartikel kann so auch ein “Ranking” der Agglomeratstabilität erstellt werden.

In einem ähnlichen Versuchsaufbau wird ein durch einen Differenziellen MobilitätsAnalysator (DMA) größenklassiertes Aerosol (ca. 200 nm) in einem Deagglomerator und einem nachgeschalteten ElektroStatischen Präzipitator (ESP) auf Siliziumsubstraten gesammelt. Beim Eintritt in den Deagglomerator werden die Partikel in einer kritischen Düse auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und mittels einstellbarem Unterdruck und variablem Abstand zwischen der Düse und einer Prallplatte mit abschätzbarer Geschwindigkeit per Impaktion abgeschieden.

Die Nanopartikel zerlegen sich in Abhängigkeit der Impaktionsgeschwindigkeit unterschiedlich stark in kleinere Aggregate, woraus sich, mithilfe weiterer Annahmen, auf die Bindungsstärke der Primärpartikel schließen lässt.

Im BMBF-Projekt CarboSafe wird in Zusammenarbeit mit vier Partnern aus der Industrie und Forschung speziell die messtechnische Erfassung, Freisetzung und Toxizität von Kohlenstoffnanoröhren (Carbon NanoTubes, CNT) untersucht. Vom IUTA wird hierfür eine neue Auswerteroutine zur Größenbestimmung faserförmiger Partikel mittels elektrischer Mobilitätsanalyse und das Nanoparticle Surface Area Monitor (NSAM) entwickelt sowie eine standardisierte Probenahme von CNT mittels Elektrophorese etabliert.

Hierzu ist ein spezieller Vorabscheider (Größenbereich 100 nm bzw. 400 nm aerodynamisch) und ein Auflader zu entwickeln und zu validieren. Neben Arbeitsplatzmessungen in der CNT-Produktion soll weiterhin exemplarisch eine mögliche Freisetzung während der weiteren Verarbeitung der CNT´s sowie beim Recycling von CNT- haltigen Produkten untersucht werden, um so eine mögliche Exposition gegenüber CNT’s während des gesamten Lebenszyklus der CNT abzuschätzen.

Diese und weitere Projekte im Arbeitsgebiet „Nanopartikel“ befassen sich übergreifend mit der Thematik der „Nachhaltigen Nanotechnologie“. Dieses wird durch die Verknüpfung und Entwicklung neuer Messtechniken, Messstrategien, Lebenszyklusbetrachtungen und Untersuchung expositionsrelevanter Partikeleigenschaften erreicht.

Ansprechpartner

Dr.rer.nat. Thomas A.J. Kuhlbusch
Bereichsleiter “Luftreinhaltung & Nachhaltige Nanotechnologie”
Tel: +49 2065 418 267
e-mail: tky(at)iuta.de