Kohlenstoff-Nanoröhren und die Umwelt

08.04.2009 - (idw) Forschungszentrum Dresden - Rossendorf e.V.

Kohlenstoff-Nanoröhren wecken einerseits Hoffnungen auf innovative Anwendungen von der Technik bis hin zur Medizin und versprechen damit auch ein erhebliches wirtschaftliches Potenzial. Andererseits muss noch viel genauer erforscht werden, inwiefern sie Umwelt und Gesundheit belasten könnten. Dafür plädieren Radiochemiker vom Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD). Sie haben nachgewiesen, dass Kohlenstoff-Nanoröhren sogenannte Kolloide bilden, also quasi wasserlöslich sind. Dadurch können sie sich in der Umwelt verteilen und dabei Schwermetalle wie Uran binden. Die Forschungsergebnisse wurden vor kurzem in der Fachzeitschrift "Environmental Pollution" veröffentlicht. Kohlenstoff-Nanoröhren haben in den vergangenen 15 Jahren eine steile Karriere gemacht, auch wenn Anwendungen bisher noch begrenzt sind. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass sie neben ihren günstigen mechanischen und elektrischen Eigenschaften aber auch abträgliche Merkmale haben. Auf einen Aspekt, der bisher noch wenig bedacht worden ist, weisen nun Forscher des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf hin. "Wenn sich Produkte, die Kohlenstoff-Nanoröhren enthalten, in Zukunft ausbreiten, dann steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die Röhren bei Herstellung, Gebrauch oder Entsorgung in die Umwelt gelangen, sich dort weiter verteilen und auf ihrem Weg Schadstoffe wie z.B. Schwermetalle binden", sagt Dr. Harald Zänker, Wissenschaftler am FZD.

Ein wichtiger Weg, auf dem Kohlenstoff-Nanoröhren in die Umwelt gelangen könnten, ist der über das Wasser. In ihrem Originalzustand sind die hauchdünnen Kohlenstoff-Fäden mit einem Durchmesser von weniger als 50 Nanometern (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter) zunächst kaum wasserlöslich. Auf den ersten Blick sollten sie also nicht im Grundwasser, Seen o.ä. mobil sein, sondern sich schnell absetzen oder abscheiden. Wenn sich jedoch ihre Oberflächenstruktur verändert, können sie kolloidhaltige Lösungen bilden. Die Veränderung der Oberflächenstruktur kann während der Produktion der Röhren gezielt herbeigeführt oder, wenn sie einmal in die Umwelt freigesetzt worden sind, durch natürliche Prozesse ausgelöst werden.

In einer kolloidhaltigen Lösung ist - anders als bei echten wasserlöslichen Stoffen - der scheinbar gelöste Stoff in Form feiner Partikel im Lösungsmittel verteilt. Diese Partikel sind immer noch viel größer als die Moleküle eines gelösten Stoffes in einer echten Lösung. In Umweltgewässern könnten Kohlenstoff-Nanoröhren in Form von Kolloiden überall hin transportiert werden. Seit kurzem weiß man auch, dass die Röhren sogar Zellwände durchdringen können. Sie könnten also theoretisch auch in tierische und menschliche Zellen vordringen. Die Oberflächenveränderung von Kohlenstoff-Nanoröhren bewirkt noch einen weiteren Aspekt: Sie erhöht ihre Neigung, Schwermetalle anzulagern.

Die Rossendorfer Wissenschaftler haben sowohl Kohlenstoff-Nanoröhren im Originalzustand als auch mit oxidierenden Säuren (z.B. Salpeter- oder Schwefelsäure) veränderte Röhren untersucht. Sie stellten fest, dass Lösungen mit behandelten Kohlenstoff-Nanoröhren Licht stärker streuen. "Das ist ein Indiz dafür, dass sie Kolloide gebildet haben, die sich nicht absetzen", sagt Dr. Harald Zänker. Die FZD-Wissenschaftler wiesen erstmals nach, dass sich das Schwermetall Uran, das in geringsten Mengen überall in der Umwelt und damit auch im Wasser vorkommt, besonders an die Oberfläche behandelter Kohlenstoff-Nanoröhren anlagert. Sie stellten eine um eine Zehnerpotenz höhere Aufnahmekapazität für Uran als bei unbehandelten Kohlenstoff-Nanoröhren fest. "Es ist deshalb plausibel anzunehmen, dass Kohlenstoff-Nanoröhren, wenn sie in die Umwelt gelangen, den Transport von Uran in Umweltwässern und sogar in biologischen Systemen beeinflussen können. Die möglichen Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit hat man bisher generell zu wenig bedacht", so Dr. Harald Zänker.

Andererseits legt die Bindungsfähigkeit von Uran und anderen Schwermetallen aber auch nahe, Kohlenstoff-Nanoröhren zur Entfernung von Schwermetallen aus Wässern einzusetzen. Eine wirtschaftliche Alternative zu klassischen Reinigungsmitteln stellen sie bisher aber noch nicht dar, sagt Dr. Zänker. "Letztendlich ist es wichtig, das Verhalten von Kohlenstoff-Nanoröhren in Wässern in Zukunft weiter zu untersuchen", so der Wissenschaftler. "Erst dann kann man die positiven und negativen Effekte der Kohlenstoff-Nanoröhren besser abwägen."

Veröffentlichung:
A. Schierz, H. Zänker: Aqueous suspensions of carbon nanotubes: surface oxidation, colloidal stability and uranium sorption, Environmental Pollution 157, 1088 - 1094 (2009). DOI:10.1016/j.envpol.2008.09.045

Weitere Informationen:
Dr. Harald Zänker
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