Denk groot. Ondanks het onderzoeksonderwerp zou dit wel eens het motto kunnen zijn van het Graphene Flagship, dat in 2013 werd gelanceerd: met een totaal budget van een miljard euro was het Europa’s grootste onderzoeksinitiatief tot nu toe, naast het Human Brain Flagship, dat werd gelanceerd op dezelfde tijd.
Hetzelfde geldt voor het overzichtsartikel over de effecten van grafeen en aanverwante materialen op de gezondheid en het milieu, dat Empa-onderzoekers Peter Wick en Tina Bürki zojuist hebben gepubliceerd. gepubliceerd samen met 30 internationale collega’s in het tijdschrift ACS Nano; ze vatten de bevindingen samen over de gezondheids- en ecologische risico’s van grafeenmaterialen, de referentielijst bevat bijna 500 originele publicaties.
Een schat aan kennis, die ook alles duidelijk maakt. “We hebben de potentiële acute effecten van verschillende grafeen- en grafeenachtige materialen op de longen, het maag-darmkanaal en de placenta onderzocht – en in geen van de onderzoeken zijn ernstige acute celbeschadigende effecten waargenomen.” zegt Wick, terwijl hij de resultaten samenvat.
Hoewel in de longcellen zeker stressreacties kunnen optreden, herstelt het weefsel vrij snel. Sommige van de nieuwere 2D-materialen, zoals boornitriden, overgangsmetaaldichalcogeniden, fosfenen en MXenen, zijn echter nog niet veel onderzocht, benadrukt Wick; hier was verder onderzoek nodig.
Wick en Co. beperkten zich in hun analyses niet tot nieuw geproduceerde grafeenachtige materialen, maar keken ook naar de gehele levenscyclus van verschillende toepassingen van grafeenhoudende materialen. Met andere woorden, ze onderzochten vragen als: Wat gebeurt er als deze materialen worden geschuurd of verbrand? Komen grafeendeeltjes vrij en kan dit fijnstof schade toebrengen aan cellen, weefsels of het milieu?
Een voorbeeld: de toevoeging van een paar procent grafeen aan polymeren, zoals epoxyharsen of polyamiden, verbetert de materiaaleigenschappen zoals mechanische stabiliteit of geleidbaarheid aanzienlijk, maar de schuurdeeltjes veroorzaken geen enkel grafeenspecifiek nanotoxisch effect op de geteste cellen en weefsels . Het team van Wick zal dit onderzoek kunnen voortzetten, zelfs nadat het vlaggenschipproject is afgelopen.
Naast het team van Wick hebben Empa-onderzoekers onder leiding van Bernd Nowack materiaalstroomanalyses gebruikt als onderdeel van het Graphene Flagship om de potentiële toekomstige milieu-impact van materialen die grafeen bevatten te berekenen en hebben ze gemodelleerd welke ecosystemen waarschijnlijk zullen worden beïnvloed en in welke mate.
Het team van Roland Hischier gebruikte, net als dat van Nowack bij Empa’s Technology and Society Lab, levenscyclusanalyses om de ecologische duurzaamheid van verschillende productiemethoden en toepassingsvoorbeelden voor verschillende grafeenhoudende materialen te onderzoeken.
Een nieuwe dimensie: grafeen en andere 2D-materialen
Grafeen is een enorm veelbelovend materiaal. Het bestaat uit een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatpatroon en heeft buitengewone eigenschappen: uitzonderlijke mechanische sterkte, flexibiliteit, transparantie en uitstekende thermische en elektrische geleidbaarheid. Als het toch al tweedimensionale materiaal nog verder ruimtelijk wordt beperkt, bijvoorbeeld tot een smal lint, kunnen controleerbare kwantumeffecten ontstaan. Dit zou een breed scala aan toepassingen mogelijk kunnen maken, van voertuigconstructie en energieopslag tot kwantumcomputers.
Lange tijd dit “wondermateriaal” bestond alleen in theorie. Pas in 2004 konden de natuurkundigen Konstantin Novoselov en Andre Geim van de Universiteit van Manchester grafeen specifiek produceren en karakteriseren. Om dit te doen verwijderden de onderzoekers lagen grafiet met een stukje plakband totdat er schilfers van slechts één atoom dik ontstonden. Voor dit werk ontvingen zij in 2010 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.
Sindsdien is grafeen onderwerp van intensief onderzoek. In de tussentijd hebben onderzoekers meer 2D-materialen ontdekt, zoals van grafeen afgeleid grafeenzuur, grafeenoxide en cyanografen, die toepassingen in de geneeskunde zouden kunnen hebben. Onderzoekers willen anorganische 2D-materialen zoals boornitride of MXenen gebruiken om batterijen te bouwen die krachtiger zijn, elektronische componenten te ontwikkelen of andere materialen te verbeteren.
Meer informatie:
Hazel Lin et al, Milieu- en gezondheidseffecten van grafeen en andere tweedimensionale materialen: een vlaggenschipperspectief van grafeen, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.3c09699
Geleverd door Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschappen en technologie
