Grafen: Jakie są korzyści, a jakie zagrożenia?


Pojawienie się grafenu we wszechświecie nanomateriałów wywołuje prawdziwą rewolucję ze względu na jego niesamowite właściwości i obietnice zastosowań, które przyćmiewają science fiction. Co jednak wiemy o jego bezpieczeństwie dla ludzi i środowiska?

Czym jest grafen i dlaczego jest tak ważny?

Grafen to nowy materiał węglowy o niespotykanym dotąd potencjale innowacyjności dzięki swoim niezwykłym właściwościom: 200 razy twardszy od stali, lepiej przewodzący prąd niż miedź i lżejszy niż jakikolwiek inny znany materiał. Jest to pierwszy dwuwymiarowy kryształ składający się z arkusza o grubości jednego atomu atomów węgla połączonych w heksagonalną siatkę.

Ten film z Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego (ACS) bardzo dobrze to wyjaśnia...

 

Zastosowania obejmują medycynę, remediację środowiska, wytwarzanie i magazynowanie energii, technologie informacyjne i komunikacyjne, czujniki we wszystkich dziedzinach, rozwój nowych ultrawytrzymałych, a jednocześnie ultralekkich materiałów itp. Cienkie jak papier, zwijane ekrany, budynki samo zasilające się dzięki niewidzialnym powłokom przekształcającym światło słoneczne w energię elektryczną, naczynia kuchenne z czujnikami ostrzegającymi o zepsutym jedzeniu, leki wykrywające i działające na komórki rakowe, czy membrany oddzielające sól od wody morskiej, gwarantujące świeżą wodę dla całej populacji i na terenach wcześniej pustynnych. Wszystko jest tuż za rogiem.

Oczekiwania generowane przez ten supermateriał są tak daleko idące, że Unia Europejska uznała badania w tej dziedzinie, obok badań nad mózgiem, za jeden z flagowych projektów badawczych, tworząc Graphene Flagship . We wrześniu 2014 roku Komisja Europejska zdefiniowała tego typu inicjatywę jako "wizjonerskie projekty badań naukowych na dużą skalę, podejmujące główne wyzwania naukowe i technologiczne". Przeczytaj tutaj.

Są to długoterminowe inicjatywy mające na celu skupienie doskonałych zespołów badawczych z różnych dyscyplin, mających wspólny cel i ambitny plan badawczy prowadzący do jego osiągnięcia. Projekty flagowe są ukierunkowane na wpływy transformacyjne w nauce i technologii, które zapewniają kluczową przewagę konkurencyjną dla przemysłu europejskiego oraz istotne korzyści dla społeczeństwa. Budżet wynosi miliard euro w ciągu najbliższych dziesięciu lat. Trzon europejskiego konsorcjum skupia 150 uniwersyteckich i przemysłowych ośrodków badawczych z 23 krajów. Przeczytaj tutaj.

Aby zrozumieć zakres tego ogromnego projektu, wystarczy wspomnieć o różnych obszarach i projektach w nim uczestniczących. Do niedawna projekt Graphene Flagship obejmował 11 pakietów roboczych: WP 1: Materiały, WP 2: Zdrowie i Środowisko, WP 3: Basic Graphene Science and 2D materials beyond Graphene, WP4: High Frequency Electronics, WP5: Optoelektronika, WP6: Spintronika, WP7: Sensory, WP8: Elastyczna Elektronika, WP9: Energia, WP10: Nanokompozyty i WP11: Produkcja. Dotychczasowa ewolucja projektu, kierowana wynikami badań, zaowocowała powstaniem 20 pakietów roboczych zgrupowanych w 5 działach, w tym dział administracji i zarządzania projektem.

 

 

Andre Geim (z prawej) i Konstantin Novoselov

Wszystko w wyścigu

Przewiduje się, że rynek grafenu wzrośnie z $20 mln w 2014 roku do ponad $390 mln w 2024 roku. Wyścig o rozwój patentowy rozpoczął się tuż po 2010 roku, kiedy to Andre Geim i Konstantin Novoselov otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za pracę nad grafenem. Od tego czasu, produkcja naukowa jest nie do zatrzymania, a kraje azjatyckie wiodą prym w dziedzinie patentów grafenowych, wystarczy spojrzeć na to, co Urząd Patentowy Jej Łaskawej Mości w Wielkiej Brytanii miał do powiedzenia w 2013 roku. (Zobacz załącznik na końcu)

W tym przedstawieniu, terytoria topograficzne są proporcjonalne do poziomu generowania patentów. Zwróćmy uwagę na niewielkie obszary zachodnie w porównaniu z wschodnimi. Nowy raport z 2015 r. dotyczący światowego krajobrazu patentowego w zakresie grafenu nadal wskazuje na dominację Azji, na czele z Samsungiem, którego rodziny patentów dotyczą elastycznej elektroniki i magazynowania energii.

Udział w światowym torcie patentowym grafenu, przed i po 2009 r. (Światowy krajobraz patentowy w 2015 roku. strona 8).

Co z bezpieczeństwem ludzi i środowiska?

Potencjał i zainteresowanie grafenem są oczywiste. Przejdźmy teraz do aspektów bezpieczeństwa i higieny pracy związanych z grafenem. Jak widzieliśmy, projekt flagowy w zakresie grafenu posiada pakiet roboczy poświęcony bezpieczeństwu ludzi i środowiska "jako niezbędny element realizacji pełnego potencjału w zakresie dobrobytu, wzrostu i konkurencyjności, jaki niesie ze sobą projekt flagowy w zakresie grafenu".

W tekście WP2 czytamy: Mały rozmiar i unikalne właściwości fizykochemiczne grafenu stanowią potencjalne ryzyko dla zdrowia ludzkiego i środowiska. Identyfikacja i rozwiązanie potencjalnych kwestii bezpieczeństwa i toksyczności jest kluczowa nie tylko dla jego integracji w ICT, materiałach kompozytowych, etc., ale także w świetle jego potencjalnych zastosowań biomedycznych, takich jak bezpośrednie urządzenia nanointerfejsowe z komórkami i tkankami. Ten pakiet roboczy (WP) jest niezbędnym wymogiem, którego nie można oddzielić od rozwoju nowych nanotechnologii. Maurizio Prato z Uniwersytetu w Trieście (Włochy) i prof. Alberto Bianco z CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) (Francja).

No dobrze, ale co wiemy dziś o możliwej toksyczności grafenu? Niedawno ukazał się przegląd dostępnych dowodów empirycznych na temat toksyczności grafenu. Poniższy rysunek przedstawia schemat możliwych mechanizmów cytotoksyczności. Płytki grafenowe mogą wnikać do komórek różnymi drogami. Po dostaniu się do wnętrza, grafen może indukować generację substancji, które wywołują stres oksydacyjny, zwiększają poziom LDH i MDH lub modyfikują homeostazę wapnia. Zmiany te mogą powodować różne rodzaje uszkodzeń, takie jak: fizyczne zniszczenie komórki, uszkodzenie błony plazmatycznej, zapalenie, zmiany w DNA, uszkodzenia mitochondriów, apoptozę lub nekrozę.

 

Pomimo tych dowodów, wciąż jesteśmy dalecy od sformułowania ogólnego stwierdzenia o możliwej toksyczności niektórych rodzajów grafenu. Tym bardziej w odniesieniu do grafenu w ogóle. Do tego czasu stosowanie zasady ostrożności pozwoli nam zagwarantować zdrowie i bezpieczeństwo pracy wszystkich osób potencjalnie narażonych na kontakt z grafenem. W tych początkowych fazach rozwoju grafenu główną grupę pracowników stanowią laboratoria badawcze i przedsiębiorstwa produkujące grafen.

Musimy również zwracać uwagę na wyniki badań, które mogą dostarczyć nam wskazówek lub informacji, jak postępować jako osoby odpowiedzialne za zdrowie i bezpieczeństwo zawodowe osób potencjalnie narażonych na działanie nanomateriałów, jak na przykład ten, który mówi nam, że wiek może być czynnikiem różnicującym reakcję na narażenie na nanomateriały.

 

Zapraszam do zapoznania się z "The graphene house", stroną Uniwersytetu w Manchesterze poświęconą grafenowi, jedną z najlepszych stron informacyjnych, co nie dziwi, gdyż to właśnie tam Geim i Novoselov odkryli grafen. Przeczytaj tutaj.

Załącznik

Krajobraz patentowy na świecie w 2013 r.