10. – 13. Schuljahr

Maria Weisermann, Lorenz Kampschulte und Stefan Schwarzer

Silber einmal anders

Leidenfrost-Synthese und Risikobewertung von Silber-Nanopartikeln

Die Nanotechnologie ist weltweit eines der aktuell großen, interdisziplinären Forschungsfelder, welches bereits seit vielen Jahren Einzug in unseren Alltag gefunden hat. Dabei ist eines der bekanntesten und am weitesten verbreiteten Erzeugnisse der Nanotechnologie das Nanosilber [1].
Silber ist ein Edelmetall und war bereits in der Antike aufgrund seiner desinfizierenden Wirkung bekannt und weit verbreitet [2]. Schon seit Langem wird es zum Beispiel für chirurgische Werkzeuge, Silber-Ionen-Besteck und Arzneimittel eingesetzt. Mit der Entwicklung der Antibiotika ging die Verwendung von Silber zurück. Erst mit der stark zunehmenden Antibiotikaresistenz vieler Krankheitserreger rückte das Material wieder in den Fokus der Medizin und Pharmazeutik [3]. Da die Verwendung von elementarem Silber jedoch zur Veränderung der mechanischen Eigenschaften des Materials führt, wurde die Optimierung in der Nanoskalierung gesehen. Dabei resultieren aus der winzigen Größe der Strukturen neue Funktionen und Eigenschaften. Gerade diese neuartigen Aspekte machen die Nanowerkstoffe für die Industrie besonders interessant. So können in Anwendungen etwa ganz neue physikalische, chemische, toxikologische und biologische Eigenschaften erzielt werden, die mit größer dimensionierten Partikeln der gleichen chemischen Zusammensetzung nicht möglich sind [4]. Heutzutage wird Nanosilber zudem auch in antibakteriellen Pflastern, Deodorants sowie Sportbekleidung, Schutzanzügen für Einsatzkräfte in Katastrophengebieten [3] als auch in Brotdosen und Kühlschränken eingesetzt.
Aufgrund der großflächigen Verwendung von nanotechnologisch modifizierten Produkten und Oberflächen im Alltag ergeben sich für alle Menschen jeglichen Alters oft unbewusst zahlreiche Berührungspunkte. Daher ist es nicht ganz abwegig anzunehmen, dass neben den unschätzbaren Chancen auch nicht zu unterschätzende Risiken auftreten. Somit erscheint es sinnvoll und beinahe notwendig, eine Chancen-Risiken-Diskussion in Bezug auf (Silber-)Nanopartikel in der Öffentlichkeit zu führen. Da Schülerinnen und Schüler einen großen Anteil der Gesellschaft darstellen, liegt es nahe, nanotechnologische Inhalte an Schulen und außerschulischen Lernorten grundlegend zu behandeln und zu diskutieren. Dabei ist Nanosilber ein bekannter und vielseitiger Vertreter der Nanopartikel, welcher ein weitreichendes und interdisziplinäres Fachgebiet darstellt. Somit können anhand dieser Thematik physikalische, chemische und biologische Inhalte miteinander verknüpft und Bezüge geschaffen werden, welche für Schülerinnen und Schüler oft nicht ersichtlich sind [5]. Dadurch kann ein motivierender alltags- und kontextorientierter Unterricht entstehen [6, 7], welcher das Potenzial hat, verschiedene Kompetenzbereiche der KMK-Bildungsstandards anzusprechen [5].
Wirksamkeit von Silber
Der großflächige Einsatz von Silber als antibakterieller Werkstoff ist auf die vom Silber freigesetzten Silber-Ionen zurückzuführen, die mit einer Vielzahl von Mikroorganismen etwa Pilzen, Bakterien und anderen Krankheitserreger interagieren und deren intrazelluläre Funktionen stören. Dabei beruht die antibakterielle und schützende Wirkung von Silber auf drei Mechanismen (Abb.1 ) [8]: Zunächst setzen die Silber-Ionen an der Zellmembran der Mikroorganismen an, wodurch deren Anhaftungsmöglichkeiten auf Oberflächen stark reduziert werden, der äußere Schutz verloren geht und die Wachstumsbedingungen sich verschlechtern. In der Zelle interagieren die Silber-Ionen anschließend zum einen mit diversen Enzymen und Proteinen, in Folge dessen der Zellstoffwechsel und somit auch die Lebensfähigkeit beeinträchtigt werden. Zum anderen erfolgen irreversible Reaktionen mit schwefelhaltigen Aminosäuren und Schwefelverbindungen, was zur Zerstörung und Inaktivierung von Protei-nen...

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