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16.11.2022 | Nanotechnologie | Im Fokus | Online-Artikel

Nanomaterial ebnet den Weg zum Hightech-Produkt

verfasst von: Thomas Siebel

4:30 Min. Lesedauer
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Der Markt für Nanomaterialien wird stark wachsen. Neben bekannten Anwendungen in Oberflächentechnik, Elektronik oder Medizin liegt großes Potenzial in hocheffizienten Batterien, Datenspeichern und flexiblen Displays.

Entwickler in Automobilbau, Energietechnik, Medizin oder Bau sind gleichermaßen gefordert: Ihre Produkte sollen immer leistungsfähiger und leichter werden – und dabei erschwinglich bleiben. Der Werkstoffforschung kann frohlocken, denn die Arbeit wird ihr damit so schnell nicht ausgehen. Schließlich fußen neue und effizientere Technologien nur allzu oft auf neuen Materialien. Besonderen Schub erfahren die Werkstoffwissenschaften derweil durch die Nanotechnologie, also durch die Additivierung von Materialien mit Partikeln der Größenordnung 1 bis 100 nm. Zur Einordnung: Ein Nanometer entspricht der Länge von zehn aneinandergereihten Wasserstoffatomen.

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2018 | OriginalPaper | Buchkapitel

Introduction—The Current Status and Momentum in Nanotechnology Commercialisation

Everybody is talking about nanoscience and nanotechnology. Nowadays ‘nano’ is very popular in science and technology, as well as in everyday news in journals, magazines and newspapers. If you ask non-scientific people “What is nano?”, the majority would probably respond ”something small an new”.

Etwa 2200 nanomaterialbasierter Produkte befinden sich bereits alleine auf dem europäischen Markt. Dazu zählen etwa Haushaltsgeräte mit antibakteriellen Beschichtungen, besonders widerstandsfähige Industriebauteile oder biokompatible medizinische Implantate. Nanopartikel verbessern auch die Energieausbeute in Solarzellen, wirken als UV-Filter in Sonnenbrillen oder sorgen für selbstreinigende und wasserabweisende Oberflächen. Nicht zuletzt spielen sie auch eine Rolle im Bereich von strukturellen Hochleitungsverbundwerkstoffen für den Automobilbau oder die Raumfahrt.

Form bestimmt Funktion

"Nanopartikel sind die wesentlichen Bausteine für die Entwicklung neuerer und anspruchsvollerer Technologien", und: "Es werden heute viel mehr Arten von Nanomaterialien synthetisiert als noch vor zehn Jahren", fassen Ali Haider, Muhammad Ikram und Asma Rafiq in der Einleitung zum Buch Green Nanomaterials as Potential Antimicrobials zwei Aspekte der Aufbruchstimmung im Bereich der Nanotechnologie zusammen. Das besondere an der Nanotechnologie ist, dass sich die physikalischen Eigenschaften von Materialien tiefgreifend wandeln, wenn man sie bis in den Nanometerbereich verkleinert.

Zudem lassen sich Werkstoffeigenschaften hier vergleichsweise leicht manipulieren, etwa indem man ihre Größe, Topologie oder Oberflächeneigenschaften einstellt und so beispielsweise ihr magnetisches Verhalten oder ihre elektrische Leitfähigkeit gezielt steuert. Nanomaterialien könne partikel- oder faserförmig, flächig oder als dreidimensional Strukturen vorliegen. Hergestellt werden sie entweder ausgehend von der Atomebene mittels kolloidaler Suspensionen und Sol-Gel-basierter Pulver oder indem Substanzen im Millimetermaßstab durch Ätzen, Spanen oder mittels Lithographie verkleinert werden.

Hauptanwendung in Oberflächen, Elektronik und Medizin

140.000 t Nanomaterialien im Wert von 5,2 Milliarden Euro wurden im Jahr 2020 allein in der EU und den Ländern des europäischen Wirtschaftsraums sowie der Schweiz hergestellt. Innerhalb der nächsten fünf Jahre wird das Marktvolumen voraussichtlich um jährlich 13,9 % und der Wert der gehandelten Produkte 18,4 % wachsen. Nachzulesen sind die Zahlen in einer aktuellen Studie der Beobachtungsstelle der Europäischen Union für Nanomaterialien, kurz EUON. Mit 27 % der Hersteller und 35 % der Anwender von Nanomaterialien ist Deutschland der stärkste Markt innerhalb der europäischen Wirtschaftsgemeinschaft. Mehr Hersteller gibt es in Europa ansonsten nur im Vereinigten Königreich.

Die wichtigste Anwendungsbereiche für Nanomaterialien sind die Oberflächen- und Dichtungstechnik, die Messtechnik und Elektronik sowie die Medizin zusammen mit der Körperpflege, die jeweils auf einen Marktanteil von fast 20 % kommen.

Starkes Wachstum voraus für CNT und Graphene

Der Markt für Nanomaterialien lässt sich dabei in sechs Gruppen unterteilen:

Unter den gehandelten Nanomaterialien sind Metalloxide – allen voran Titandioxid, Siliziumdioxid und Zinkoxid – die wirtschaftlich bedeutendsten. Dieses Segment macht wertmäßig etwa Dreiviertel des Gesamtmarkts aus. Die Metalloxide kommen in so unterschiedlichen Anwendungen wie der Mikroelektronik, in Brennstoffzellen, in Beschichtungen, in der Medizin oder in der Bildgebung zum Einsatz. Ein Grund dafür ist ihre Vielseitigkeit: Nutzt man beispielsweise Titandioxid als UV-Filter in Sonnenbrillen, so lässt sich durch die Kombination mit Zirconium oder Hafnium gezielt der zu absorbierende Wellenlängenbereich einstellen.

Wenngleich der Marktanteil derzeit noch vergleichsweise klein ist, so dürften aber carbonbasierte Nanomaterialien, Nanoclays und Nanozellulose in den nächsten Jahren das stärkste Wachstum erfahren. Darauf deutet unter anderem die zahlreichen Forschungsprojekt im Bereich der carbonbasierten Nanomaterialien hin. Sie verbinden beispielsweise besondere optische, thermische oder elektrische Eigenschaften mit einer hohen mechanischen Festigkeit. Von Nanoclays mit ihren herausragenden Filtereigenschaften erhofft man sich Fortschritte in der Wasserreinigung und -aufbereitung.

Kosten sinken mit robusterer Produktionstechnik

Zu den vielversprechendsten neuen Anwendungen von Nanomaterialien zählen die Autoren der EUON-Studie die Energietechnik. So könnten Batterien oder Solarpanels mithilfe von Nanomaterialien deutlich effizienter und zuverlässiger werden. In der Elektronik besteht Potenzial für erheblich leistungsfähigere MRAM-Speicher, während flexible und nachgiebige Displays in der Unterhaltungselektronik Einzug halten.

Zu den Wachstumstreibern zählt neben den Bedarfen der unterschiedlichen Industrien nach hochleistungsfähigen Werkstoffen auch die Produktionstechnik. Immer robustere und stärker standardisierte Herstellprozesse dürften die Kosten für Nanomaterialien und nanomaterialhaltige Produkte den Autoren zufolge signifikant senken.

Regulierung hemmt Wachstum, aber schafft Vertrauen

Bei all den verheißungsvollen Aussichten für Nanomaterialien nehmen die Autoren jedoch auch aktuelle Wachstumshemmnisse in den Blick. Zum einen bemerken sie, dass die Vermarktung nanomaterialhaltiger Produkte durch das derzeitige regulatorische Umfeld behindert wird. Erschwerend kommt hinzu, dass Nanomaterialien von Land zu Land unterschiedlichen Definitionen unterliegen. Relativ hohe Scale-up-Kosten hemmen zudem das Interesse der Unternehmen an einem Produktionshochlauf.

Auch bedauern Branchenvertreter die die kritische Haltung der Öffentlichkeit gegenüber Nanomaterialien. In dieser Hinsicht könnte eine strengere Regulierung von Nanomaterialien jedoch auch einen positiven Effekt haben, so die Autoren, sofern das Vertrauen der Öffentlichkeit in Nanomaterialien dadurch gestärkt würde.

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