Udvikling af grafen-baserede løsninger mere sandsynlig, da effekterne på sundheden synes at være minimale

Grafen, med sin enorme potentiale, repræsenterer en betydelig gennembrud i materialevidenskab. Udtrukket fra grafite, en krystallinsk form for carbon, står grafen som et bemærkelsesværdigt vigtigt materiale snarere end et element. Du vil ofte finde det i blyanten i en blyant.

Ved at være det tyndeste materiale med en tykkelse på kun ét atom, adskiller grafen sig selv med sin lette, elasticitet og styrke. Det har en modstand 200 gange større end stål og en tykkelse, der er tusind gange mindre end menneskehår.

Dette unikke materiale er fem gange lettere end aluminium, som selv er tre gange lettere end stål, og besidder diverse egenskaber. Disse inkluderer evnen til at absorbere lys og høj elektrisk og termisk ledningsevne, hvilket baner vejen for innovationer på tværs af forskellige sektorer.

I elektronikindustrien udvider grafens høje ledningsevne batteriets levetid betydeligt og forkorter opladningstiden, hvilket forbedrer energiens effektivitet og apparatets holdbarhed, samtidig med at det forhindrer overophedning. Dets lette overvinder en af de betydelige begrænsninger for droner – den tungt konstruktion af batterier til energilagring.

Grafens fleksibilitet og evne til at absorbere minimalt lys gør det ideelt for fremstilling af holdbare skærme til forskellige enheder. Samtidig er dets modstand en afgørende komponent for fremskridt i belysningssektoren.

I bygge- og anlægssektoren forbedrer grafen bygningsisolering og tilbyder modstand mod fugt, korrosion og brand, hvilket bidrager til bedre termisk regulering i hjemmet. Derfor kan det være rigtigt gavnligt i den fornybare energisektor, da det kan generere mere energi, end der produceres i øjeblikket. Samtidig kan det i sundhedssektoren hjælpe med at skabe lettere høreapparater samt knogler og muskler gennem kirurgiske operationer.

Grafens mulige anvendelser omfatter yderligere transistorer, antenner, computerchips, superkondensatorer, DNA-sekventering, vandfilter og solceller.

Givet grafens varierende egenskaber og dets potentiale for at revolutionere så mange forskellige sektorer, har videnskabsmiljøet holdt et tæt øje på grafen. Forskere og virksomheder over hele verden har studeret og eksperimenteret med dette materiale.

For blot en uge siden fandt en studie udført af MIT-fysikere en “fraktionel kvantum-anomali Hall-effekt” i grafen. Den fraktionelle kvantum-Hall-effekt er en overordentlig sjælden ting, som, hvis den kan kontrolleres, kan hjælpe med at bygge fejltolerante kvantecomputere.

Denne effekt ses kun få gange, og det meste under meget høje, omhyggeligt opretholdt magnetfelt. Men denne gang blev effekten set i et materiale, som videnskabsmændene ikke forventede det på, og oven i købet i fravær af et magnetfelt. Denne opdagelse har betydelige implikationer for feltet grundlæggende fysik. Det er sandsynligt, at det vil bana vejen for en ny form for kvantecomputering, som er væsentligt mere modstandsdygtig over for forstyrrelser.

I en anden studie afslørede forskerne en ny metode til syntese af grafenoxid, som er fordelt i opløsninger. Den nye metode kombinerede syren fra Hummers-metoden og oxidationsmidlet fra Brodie-metoden til at producere grafenoxid på en simpel måde, men med et lille antal defekter.

Men selvom grafen har et enormt anvendelsespotentiale, er det endnu ikke bredt anvendt og er stadig under udvikling. Begrænset produktionsvolumen, høj omkostning og sundhedsrisici er de største faktorer, der begrænser grafens anvendelse. Men en af disse faktorer kan ikke være så begrænsende.

Klik her for at lære, om grafen-halvledere endelig er her.

Menneskeprøve viser, at indånding af grafen er sikker

Grafen blev først isoleret af videnskabsmændene Andre Geim og Konstantin Novoselov i 2004, for hvilket de modtog Nobelprisen i fysik i 2010. Lovprist som et “vidundermateriale”, er grafen blevet udforsket over hele verden, herunder i sundhedssektoren via implantable enheder og sensorer.

I sundhedssektoren undersøges materialet også i forhold til målrettede terapeutiske midler mod tilstande som kræft. Men før materialet kan anvendes til medicinske formål, skal det testes for eventuelle ugunstige effekter. Og en ny studie viser, at en bestemt type grafen kan indåndes uden nogen akut risiko for menneskers sundhed.

Denne kliniske prøve, som omfattede den første kontrollerede eksponering, gjorde brug af en tynd, ultra-ren vand-kompatibelt form af materialet – grafenoxid.

Grafen er et 2D-nanomateriale bestående af ét eller få lag af carbon-gitter, og dets oxiderede form har vist lovende resultater i biomedicinsk videnskab takket være dets kompatibilitet med blodceller, hydrofilitet, høj overfladeareal til kemisk funktionalisering og rimelig koloid stabilitet i biologisk relevante opløsninger. Lagdelte grafenoxidmaterialer studeres specifikt til membranapplikationer. Men der er begrænset og inkonsistent toxicologisk data tilgængelig for grafenoxid.

Selvom grafenoxidnanomaterialer er forbundet med potentielle sikkerhedsbekymringer for menneskers sundhed, havde holdet en dobbeltblind, randomiseret kontrolleret prøve for at finde ud af, hvordan indånding af dette materiale påvirker lungerne og blodkarrene.

De højrenede, tynde og metal- og endotoxin-frie grafenoxidmaterialer blev syntetiseret ved hjælp af en modificeret Hummers-metode. Grafenoxidnanoblade (2D-nanostrukturer med en tykkelse på 1-100 nm) havde en nøjagtigt defineret størrelse og ingen elementær forurening.

Over en dusin frivillige deltog i studiet, hvor de oplevede en kontrolleret eksponering, som involverede indånding af materialet gennem en ansigtsmaske. Grafenoxid blev indåndt af deltagere i to timer, mens de cyklede i en speciel designet mobil eksponeringskammer. Frivillige returnerede herefter for gentagne kontrollerede eksponeringer få uger senere.

Således indåndede de 14 unge, sunde frivillige både små og ekstremt små grafenoxidnanoblade med en koncentration på 200 μg m−3 (mikrogram per kubikmeter luft) under gentagne besøg.

At udnytte nanoteknologien til det fulde

Studiet målte effekterne af materialet på lungefunktion, blodpropp, blodtryk og inflammation i blodet før eksponeringen og med to-timers interval.

Forskere fandt ingen ugunstige effekter af materialet på blodtryk eller lungefunktion. Det havde ingen ugunstig reaktion i andre biologiske parametre, der blev undersøgt. Men de bemærkede, at grafenoxidindånding kan påvirke, hvordan blodet koagulerer, men understregede, at effekten var meget lille.

Ifølge professor Kostas Kostarelos, University of Manchester, og Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) i Barcelona, viser denne studie, at rene former af grafenoxid kan udvikles yderligere, samtidig med at risikoen for menneskers sundhed minimiseres.

Studiet blev udført af forskere fra universiteterne i Edinburgh og Manchester og finansieret af UKRI EPSRC og British Heart Foundation. Ifølge forskerne er yderligere arbejde nødvendigt for at afgøre, om højere doser af forskellige former af grafen vil have en anden effekt på sundheden.

Hvor nanomaterialer som grafen har stort potentiale, skal det sikres, at “de fremstilles på en måde, der er sikker, før de kan anvendes mere bredt i vores liv”, sagde Dr. Mark Miller, senior forskningsmedarbejder ved University of Edinburghs Centre for Cardiovascular Science.

Når det kommer til studiets begrænsninger, bemærkede forskerne, at det kun registrerede ændringer i biologiske parametre baseret på deres tidligere arbejde med diesel-udstødningsnanopartikler, og antallet af deltagere kan være utilstrækkeligt til at registrere grafenoxidindåndingens mere subtile effekter.

Dette studie åbner døren for at udvikle nye metoder til at levere lægemidler til at behandle sygdomme.

Virksomheder, der udforsker grafen

Grafen-baserede løsninger kan have stor gavn for mange industrier og mange virksomheder som Tesla, Samsung, Lockheed Martin, Ford, Intel og 3M, blandt andre.

#1. Graphenea

Den førende producent af grafen-baserede materialer, Graphenea, tilbyder højkvalitetsgrafen til forskning og industrielle anvendelser.

#2. Haydale Graphene Industries

Den globale teknologivirksomhed specialiserer sig i bearbejdning af grafen samt andre nanomaterialer til forskellige anvendelser.

#3. IBM

Denne teknologigigant har udforsket grafen i elektronik.

Konklusion

Grafen, et ekstremt diversificeret materiale, finder anvendelse på tværs af energi-, elektronik- og bygge- og anlægssektorerne. I teknologisektoren kan dette materiale fuldstændigt ændre, hvordan vi interagerer med teknologi.

Klik her for at lære om nanoskala-grafit, der er klar til kommerciel anvendelse.