من المرجح تطوير حلول تعتمد على الغرافين مع ظهور تأثيرات صحية ضئيلة

الغرافين، بفضل إمكاناته الهائلة، يمثل اختراقًا كبيرًا في علم المواد. يُستخرج من الجرافيت، وهو شكل بلوري من الكربون، ويُعد الغرافين مادة ذات أهمية استثنائية وليس عنصرًا. ستجده عادةً في رصاص القلم.

كونه أرفع مادة بسمك ذرة واحدة فقط، يتميز الغرافين بخفته ومرونته ومتانته. يتمتع بمقاومة تزيد بمقدار 200 مرة عن الفولاذ وسمك أقل بألف مرة من شعر الإنسان.

هذه المادة الفريدة أخف بخمس مرات من الألمنيوم، الذي هو نفسه أخف بثلاث مرات من الفولاذ، وتتمتع بخصائص متعددة. تشمل هذه القدرة على امتصاص الضوء وتوصيل كهربائي وحراري عالي، مما يمهد الطريق للابتكارات في مختلف القطاعات.

في صناعة الإلكترونيات، يطيل التوصيل العالي للغرافين عمر البطاريات بشكل كبير ويقلل من زمن الشحن، مما يعزز كفاءة الطاقة ومتانة الأجهزة مع منع ارتفاع الحرارة. خفته تتغلب على أحد القيود الكبيرة للطائرات بدون طيار— الوزن الثقيل للبطاريات المستخدمة لتخزين الطاقة.

مرونة الغرافين وقدرته على امتصاص القليل من الضوء تجعله مثاليًا لتصنيع شاشات متينة لمختلف الأجهزة. وفي الوقت نفسه، تجعل مقاومته منه عنصرًا أساسيًا لتقدم قطاع الإضاءة.

في مجال البناء، يحسن الغرافين عزل المباني ويمنح مقاومة للرطوبة والتآكل والحرائق، مما يساهم في تنظيم حراري أفضل للمنازل. وبالتالي، يمكن أن يكون مفيدًا جدًا في قطاع الطاقة المتجددة حيث سيولد طاقة أكثر مما يُنتج حاليًا. وفي الوقت نفسه، في مجال الرعاية الصحية، يمكن أن يساعد في صنع سماعات أذن أخف وزنًا وكذلك عظام وعضلات من خلال العمليات الجراحية.

تشمل التطبيقات المحتملة للغرافين أيضًا الترانزستورات، والهوائيات، ورقائق الحواسيب، والمكثفات الفائقة، وتسلسل الحمض النووي، ومرشحات المياه، والخلايا الشمسية.

نظرًا لتنوع خصائص الغرافين وإمكاناته في إحداث ثورة في العديد من القطاعات، تتابع المجتمع العلمي الغرافين عن كثب. يقوم الباحثون والشركات حول العالم بدراسة وتجربة هذه المادة.

دراسة اكتشف فيزيائيون من MIT أن الغرافين يظهر “تأثير هول الكمي غير العادي الكسرى”. يُعد تأثير هول الكمي الكسرى ظاهرة نادرة للغاية، وإذا تم التحكم فيها، يمكن أن تساعد في بناء حواسيب كمية مقاومة للأخطاء.

يُلاحظ هذا التأثير نادرًا فقط، وغالبًا تحت حقول مغناطيسية عالية ومُحافظة بعناية. لكن هذه المرة، لوحظ التأثير في مادة لم يتوقع العلماء وجوده فيها، وعلى ذلك، في غياب أي حقل مغناطيسي. يحمل هذا الاكتشاف تداعيات هامة في مجال الفيزياء الأساسية. من المرجح أن يمهد الطريق لنوع جديد من الحوسبة الكمية يكون أكثر مقاومة للاضطرابات.

في دراسة أخرى، كشف الباحثون طريقة جديدة لتصنيع أكسيد الغرافين (GO)، وهو قابل للانتشار في المذيبات. تجمع الطريقة الجديدة بين الحمض من طريقة همرز والمؤكسد من طريقة برودي لإنتاج GO بطريقة بسيطة ولكن بعدد قليل من العيوب.

مع ذلك، رغم أن الغرافين يمتلك إمكانات تطبيقية هائلة، إلا أنه لم يُستخدم على نطاق واسع ولا يزال قيد الاستكشاف. حجم الإنتاج المحدود، التكلفة العالية، ومخاطر الصحة هي العوامل الرئيسية التي تحد من تبني الغرافين. ومع ذلك، قد لا يكون أحد هذه العوامل مقيدًا بالدرجة نفسها.

انقر هنا لتعرف ما إذا كانت أشباه الموصلات المصنوعة من الغرافين موجودة فعلاً.

تجربة بشرية تُظهر أن استنشاق الغرافين آمن

تم عزل الغرافين لأول مرة من قبل العلماء أندريه جيم وكوستانتين نوفوسيلوف في عام 2004، وحصلوا على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2010. يُشاد به كـ ‘مادة معجزة’، وقد تم استكشاف الغرافين حول العالم، بما في ذلك في مجال الرعاية الصحية، عبر الأجهزة القابلة للزرع وأجهزة الاستشعار.

في مجال الرعاية الصحية، يُجرى أيضًا التحقيق في المادة فيما يتعلق بالعلاجات المستهدفة ضد أمراض مثل السرطان. ولكن، بالطبع، قبل أن تُستخدم المادة لأغراض طبية، يجب اختبارها لأي آثار سلبية محتملة. وأظهرت دراسة حديثة أن نوعًا محددًا من الغرافين يمكن استنشاقه دون أي خطر حاد على صحة الإنسان.

استخدمت هذه التجربة السريرية، التي شملت أول تعرض مُتحكم فيه، شكلًا رقيقًا وعالي النقاء ومتوافقًا مع الماء من المادة — أكسيد الغرافين (GO).

الغرافين هو مادة نانوية ثنائية الأبعاد تتكون من طبقة واحدة أو عدد قليل من طبقات شبكة الكربون، وقد أظهر شكله المؤكسد واعدًا في العلوم الطبية بفضل توافقه مع خلايا الدم، وخصائصه المائية، والمساحة السطحية الكبيرة للتعديل الكيميائي، وثباته الغرواني المعقول في المحاليل ذات الصلة بيولوجيًا. تُدرس مواد أكسيد الغرافين الطبقية، على وجه الخصوص، لتطبيقات الأغشية. ومع ذلك، تتوفر بيانات سمية محدودة وغير متسقة حول أكسيد الغرافين.

بينما يتم تطويره لتطبيقات واسعة، أشار الدراسة إلى أن مواد نانوية من أكسيد الغرافين مرتبطة بمخاوف محتملة للسلامة البشرية. نتيجة لذلك، أجرى الفريق تجربة مزدوجة التعمية، عشوائية ومتحكم فيها لمعرفة مدى تأثير استنشاق هذه المادة على وظائف رئتينا والأوعية الدموية الحادة.

تمت صياغة مواد GO النقية للغاية والرقيقة والخالية من المعادن وال endotoxin باستخدام طريقة همرز المعدلة. كانت أوراق نانوية من GO (هياكل نانوية ثنائية الأبعاد بسمك يتراوح بين 1 إلى 100 نانومتر) ذات حجم محدد بدقة وخالية من أي تلوث عنصري. استخدمت الدراسة بُعدين جانبيين: GO صغير (s-GO) و GO فائق الصغر (us-GO).

شارك أكثر من عشرة متطوعين في الدراسة، حيث خضعوا لتعرض مُتحكم به بعناية، تم عبره استنشاق المادة من خلال قناع للوجه. استنشق المشاركون أكسيد الغرافين لمدة ساعتين أثناء ركوب الدراجات داخل حجرة تعرض متنقلة مصممة خصيصًا. عاد المتطوعون لاحقًا لتجارب متحكم فيها متكررة بعد بضعة أسابيع. هذه المرة، ركز البحث على تجربة جسيمات أكسيد الغرافين بأحجام مختلفة.

لذا، استنشق 14 متطوعًا شابًا وصحيًا كلًا من أوراق GO الصغيرة والفائقة الصغر بتركيز 200 μg m−3 (ميكروغرام لكل متر مكعب من الهواء) في زيارات متكررة. كان التركيز الفعلي لـ s-GO هو 214 ± 23 μg m−3، ولـ us-GO هو 224 ± 17 μg m−3، وتم الحفاظ عليهما عند مستوى ثابت طوال الساعتين.

الاستفادة القصوى من تقنية النانو

قامت الدراسة بقياس تأثيرات المادة على وظائف الرئة، وتجلط الدم، وضغط الدم، والالتهاب في الدم قبل التعرض وعلى فترات كل ساعتين.

وجد الباحثون عدم وجود آثار سلبية للمادة على ضغط الدم أو وظائف الرئة. لم تُظهر أي رد فعل غير مرغوب فيه في المعايير البيولوجية الأخرى التي تم فحصها. ومع ذلك، لاحظوا أن استنشاق أكسيد الغرافين قد يؤثر على طريقة تجلط الدم، لكنهم أكدوا أن التأثير كان ضئيلًا جدًا.

فيما يتعلق بتحليل البروتيوميات الدموية الغنية، أظهر عددًا قليلًا جدًا من البروتينات البلازمية المتفاوتة، بينما ارتفع تكوين الجلطات بشكل طفيف فقط في نموذج خارجي لإصابة شريانية.

تشير هذه الدراسة، وفقًا للبروفيسور كوستاس كوستاريلوس من جامعة مانشستر ومعهد كاتالون للعلوم النانوية وتكنولوجيا النانو (ICN2) في برشلونة، إلى أن الأشكال النقية من أكسيد الغرافين يمكن تطويرها أكثر مع تقليل المخاطر على صحة الإنسان. وأشار إلى:

“لقد استغرقنا أكثر من عشر سنوات لتطوير المعرفة اللازمة لإجراء هذا البحث، من منظور علوم المواد والبيولوجيا، وكذلك من القدرة السريرية لإجراء مثل هذه الدراسات المتحكم فيها بأمان.”

أُجريت الدراسة من قبل باحثين من جامعات إدنبرة ومانشستر ومُوّلت من قبل UKRI EPSRC ومؤسسة القلب البريطانية. وفقًا للباحثين، هناك حاجة لمزيد من العمل لتحديد ما إذا كانت الجرعات الأعلى من أشكال مختلفة من الغرافين ستؤثر على الصحة بشكل مختلف. كما يهتم فريق الباحثين باستكشاف ما إذا كان التعرض المطول لأكسيد الغرافين قد يسبب مخاطر صحية إضافية.

بينما تحمل المواد النانوية مثل الغرافين وعودًا كبيرة، يجب التأكد من أنها تُصنع بطريقة آمنة قبل أن تُستخدم على نطاق أوسع في حياتنا،” قال الدكتور مارك ميلر (بكالوريوس، دكتوراه)، الباحث الأول في مركز علوم القلب والأوعية الدموية بجامعة إدنبرة. “استكشاف سلامة الغرافين لدى البشر سيساعدنا على فهم كيف يمكن لهذه المادة الفريدة أن تؤثر على الجسم، ومع التصميم الدقيق، يمكننا الاستفادة بأمان من تقنية النانو.”

فيما يتعلق بحدود الدراسة، أشار الباحثون إلى أنها رصدت تغييرات في المعايير البيولوجية استنادًا إلى عملهم السابق مع جسيمات عادم الديزل، وقد يكون عدد المشاركين غير كافٍ لاكتشاف التأثيرات الدقيقة لاستنشاق GO.

كما اختار الباحثون الجرعة خصيصًا لتجنب التأثيرات الفسيولوجية الظاهرة، مما يشير إلى أن تركيزات أعلى من GO أو فترات تعرض أطول قد تكشف عن تأثيرات لم تُلاحظ في هذه الدراسة. بالإضافة إلى ذلك، عدم القدرة على تمديد الدراسة لأكثر من 6 ساعات يعني أنها ربما فاتت بعض مسارات الالتهاب.

مع ذلك، تُظهر الدراسة بوضوح أن استنشاق أوراق أكسيد الغرافين النانوية الرقيقة والنقية للغاية، التي يبلغ حجمها نانومترًا، لا يؤثر على البشر الأصحاء. وبالتالي، يضع ذلك الأسس لاستكشاف تأثيرات مواد نانوية ثنائية الأبعاد أخرى (مواد مسطحة غير كروية الشكل بأحد أبعادها أقل من 100 نانومتر) في البشر.

تفتح هذه الدراسة الباب لتطوير طرق جديدة لتوصيل الأدوية لعلاج الأمراض. عند تصميم نظام توصيل دوائي مُحسّن، يكون الهدف هو نقل العوامل العلاجية بطريقة قابلة للتحكم مع تقليل الآثار الجانبية على الأنسجة السليمة.

إنها خطوة رئيسية نحو تقييم شامل للمخاطر المتعلقة بالغرافين والمواد النانوية ثنائية الأبعاد التي لديها القدرة على معالجة تحديات عالمية متعددة، واعتماد نهج التصميم الآمن للاستفادة من الإمكانات الحقيقية لهذه المادة الفريدة.

الشركات التي تستكشف الغرافين

يمكن أن تستفيد العديد من الصناعات والشركات مثل تسلا، سامسونج، لوكهيد مارتن، فورد، إنتل، و3M، وغيرها، بشكل كبير من حلول تعتمد على الغرافين. الآن، دعونا نلقي نظرة على الشركات التي تستكشف الغرافين وتطور حلولًا بناءً على هذه المادة:

#1. Graphenea

المصنع الرائد للمواد القائمة على الغرافين، تقدم Graphenea غرافين عالي الجودة للأبحاث والتطبيقات الصناعية. يتضمن محفظة الشركة أكسيد الغرافين، ورقائق ترانزستورات تأثير المجال الغرافيني (GFETs)، وأفلام غرافين CVD، وخدمات مصنعي الغرافين (GFAB).

تشمل قائمة منتجات Graphenea بطاقة Graphenea و mGFET-4D و mGEFD-4P لتطبيقات الاستشعار. الشركة شريك في مبادرة Graphene Flagship، التي تُعد أكبر مبادرة بحثية في أوروبا لتنسيق الجهود بميزانية تبلغ مليار يورو.

#2. Haydale Graphene Industries

الشركة التقنية العالمية تتخصص في معالجة الغرافين، إلى جانب مواد نانوية أخرى، لتطبيقات متنوعة. برأس مال سوقي قدره 4.44 مليون، تُتداول أسهم Haydale Graphene Industries (HAYD-GB: London Stock Exchange) عند 0.45، بانخفاض 5.26% منذ بداية العام. تمتلك الشركة ربحية سلبية (EPS) للعام الماضي (TTM) مقدارها -0.85 ومضاعف سعر السهم إلى الأرباح (P/E) للعام الماضي (TTM) مقدارها -0.53.

صافي الدخل السنويانخفض بنسبة 28.20% إلى خسارة قدرها 6.17 مليون رغم زيادة الإيرادات بأكثر من 48% إلى 4.30 مليون، وذلك نتيجة زيادة تكلفة البضائع المباعة كنسبة من المبيعات. في النصف الثاني من العام الماضي، جمعت Haydale 5 ملايين جنيه إسترليني من اشتراك بسعر 0.5 بنس للسهم وقدمت عرضًا تجاريًا يصل إلى مليون جنيه إسترليني للمستثمرين الأفراد.

(TSLA ) (LMT ) (INTC )

قامت الشركة مؤخرًا بشراكة مع PETRONAS Ventures، ذراع تجاري لتقنية شركة النفط والغاز الماليزية Petroliam Nasional Berhad، لتفعيل الغرافين لتطبيقات المنتجات. كان هذا التعاون محاولة لتسريع الإنتاج الضخم للمنتجات القائمة على الغرافين في صناعات متعددة.

في ديسمبر 2023، منحت الحكومة الويلزية الشركة تمويلًا من برنامج SMART لتطوير سوائل نقل حرارة مدمجة بالغرافين بالتعاون مع شركة Hydratech المصنعة لسوائل نقل الحرارة القائمة على الماء.

#3. IBM

هذه الشركة التقنية الكبيرة تستكشف الغرافين في مجال الإلكترونيات. قبل حوالي عقد من الزمن، بنت IBM شريحة غرافين كانت أسرع بألف مرة من الدوائر المتكاملة السابقة المصنوعة من الغرافين. ثم، بعد سنوات عديدة، استخدمت IBM خصائص الغرافين الفريدة لتطوير تقنيات تصنيع مكنت من تصغير حجم أجهزة أشباه الموصلات إلى أقل من 7 نانومتر على رقاقة سيليكون.

يمثل ذلك قفزة كبيرة في تكنولوجيا أشباه الموصلات، مدفعًا حدود التصغير والأداء. تستثمر IBM وقتًا كبيرًا ومليارات الدولارات في مستقبل النانوإلكترونيات، بما في ذلك استخدام الغرافين.

بقيمة سوقية تبلغ 164 مليار دولار، تُتداول أسهم الشركة (IBM: NYSE) عند 181.20 دولار، بارتفاع 9.87% منذ بداية العام. سجلت IBM إيرادات (TTM) قدرها 61.86 مليار دولار، وربحية السهم (EPS) (TTM) 8.03، ومضاعف السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 22.37، وعائد حقوق الملكية (ROE) (TTM) 33.36%. كما تدفع الشركة عائد توزيعات بنسبة 3.70%.

الخلاصة

الغرافين، مادة متنوعة للغاية، يجد تطبيقات واسعة في قطاعات الطاقة والإلكترونيات والبناء. في قطاع التكنولوجيا، يمكن لهذه المادة أن تغير تمامًا طريقة تفاعلنا مع التقنية. تُظهر هذه الدراسة أيضًا أن القطاع الطبي يمكنه استخدام هذه المادة الفريدة بأمان دون أي آثار ضارة على صحة الإنسان وجسمه. ومع ذلك، يتطلب تحقيق الفوائد الكاملة للغرافين إنتاجًا على نطاق واسع بتكلفة منخفضة، وهو إنجاز لم يتحقق بعد.

مع ذلك، لا يمكن إنكار أن الغرافين هو “مادة المستقبل”، وهذا بحق. بكونه أرفع، أكثر مرونة، وأقوى مادة في العالم، فإنه يبشر بثورة حقيقية يمكن أن تغير العالم.

انقر هنا لتتعرف على الجرافيت النانوي المستعد للتسويق.