Udvikling af grafenbaserede løsninger mere sandsynlig, da sundhedseffekterne ser minimale ud

Grafen, med sit enorme potentiale, repræsenterer et betydeligt gennembrud inden for materialvidenskab. Udvundet fra grafit, en krystallinsk form af kulstof, er grafen et bemærkelsesværdigt vigtigt materiale snarere end et grundstof. Du vil typisk finde det i blyet i en blyant.

Som det tyndeste materiale, kun én atomtykkelse, adskiller grafen sig med sin lethed, elasticitet og styrke. Det har en modstand 200 gange større end stål og en tykkelse tusind gange mindre end et menneskehår.

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

I elektronikindustrien forlænger grafens høje ledningsevne batteriers brugstid betydeligt og forkorter opladningstiden, hvilket øger energieffektiviteten og enhedens holdbarhed, samtidig med at overophedning forhindres. Dens lethed overvinder en af droners væsentlige begrænsninger – den tunge fremstilling af batterier til energilagring.

Grafens fleksibilitet og evne til at absorbere minimal lys gør den ideel til fremstilling af holdbare skærme til forskellige enheder. Samtidig gør dens modstand den til en afgørende komponent for fremskridt inden for belysningssektoren. 

I byggeri forbedrer grafen bygningsisoleringen og giver modstand mod fugt, korrosion og brand, hvilket bidrager til bedre termisk regulering i hjem. Derfor kan den være meget gavnlig i den vedvarende energisektor, da den vil generere mere energi end der i øjeblikket produceres. Samtidig kan den i sundhedssektoren hjælpe med at skabe lettere høreapparater samt knogler og muskler gennem kirurgiske indgreb.

Grafens mulige anvendelser omfatter desuden transistorer, antenner, computerchips, superkondensatorer, DNA-sekventering, vandfiltre og solceller. 

På grund af grafens varierende egenskaber og dets potentiale til at revolutionere så mange forskellige sektorer, har det videnskabelige samfund holdt et vågent øje på grafen. Forskere og virksomheder over hele verden har studeret og eksperimenteret med dette materiale.

Netop denne uge, en undersøgelse af MIT-fysikere fandt en “fraktional kvantum anomalous Hall-effekt” i grafen. Den fraktionale kvantum Hall-effekt er en yderst sjælden forekomst, som, hvis den kontrolleres, kan hjælpe med at bygge fejl-tolerante kvantecomputere.

Denne effekt ses kun få gange, og det primært under meget høje, omhyggeligt vedligeholdte magnetfelter. Men denne gang blev effekten observeret i et materiale, som forskerne ikke forventede, og desuden i fraværet af et magnetfelt. Denne opdagelse har betydelige implikationer for grundlæggende fysik. Den vil sandsynligvis bane vejen for en ny form for kvantecomputing, som er væsentligt mere modstandsdygtig over for forstyrrelser.

I en anden undersøgelse afslørede forskere en ny metode til syntese af grafenoxid (GO), som er dispersibel i opløsningsmidler. Den nye metode kombinerede syren fra Hummers-metoden og oxidanten fra Brodie-metoden for at producere GO på en enkel måde, men med et lille antal defekter.

Dog, selvom grafen har et enormt anvendelsespotentiale, er det endnu ikke udbredt brugt og er stadig under udforskning. Begrænset produktionsvolumen, høje omkostninger og sundhedsrisici er de største faktorer, der begrænser adoptionen af grafen. Dog kan en af disse faktorer måske ikke være så begrænsende. 

Klik her for at finde ud af, om grafensemiconductorer virkelig er her.

Menneskelig test viser, at indånding af grafen er sikkert

Grafen blev først isoleret af forskerne Andre Geim og Konstantin Novoselov i 2004, for hvilket de modtog Nobelprisen i fysik i 2010. Hyldet som et ‘mirakelmateriale’ er grafen blevet udforsket over hele verden, også inden for sundhedssektoren via implantater og sensorer.

Inden for sundhedssektoren undersøges materialet også i forhold til målrettet terapi mod sygdomme som kræft. Men naturligvis skal materialet, før det kan anvendes medicinsk, testes for eventuelle bivirkninger. Og en nylig undersøgelse antyder, at en specifik type grafen kan indåndes uden nogen akut risiko for menneskers sundhed.

Denne kliniske test, som involverede den første kontrollerede eksponering, brugte en tynd, ultra-ren vandkompatibel form af materialet – grafenoxid (GO). 

Grafen er et 2D-nanomaterial bestående af et enkelt eller få lag af kulstofgitter, og dens oxiderede form har vist lovende egenskaber inden for biomedicinsk videnskab takket være dens kompatibilitet med blodceller, hydrofilicitet, højt overfladeareal for kemisk funktionalisering og rimelig kolloidal stabilitet i biologisk relevante opløsninger. Lagdelte grafenoxidmaterialer studeres især til membranapplikationer. Der er dog begrænsede og inkonsistente toksikologiske data tilgængelige for grafenoxid.

Selvom de udvikles til brede anvendelser, bemærker studiet, at grafenoxid-nanomaterialer er forbundet med potentielle sikkerhedsproblemer for menneskers sundhed. Som følge heraf gennemførte teamet en dobbeltblind, randomiseret kontrolleret undersøgelse for at finde ud af, hvordan indånding af dette materiale påvirker de akutte funktioner i vores lunger og blodkar.

De højt rensede, tynde og metal- og endotoxinfri GO-materialer blev syntetiseret ved hjælp af en modificeret Hummers-metode. GO-nanosheets (2D-nanostrukturer med en tykkelse mellem 1 til 100 nm) havde en nøje defineret størrelse og ingen elementforurening. Undersøgelsen brugte to laterale dimensioner: lille GO (s-GO) og ultrasmall GO (us-GO). 

Over et dusin frivillige deltog i undersøgelsen, hvor de gennemgik en omhyggeligt kontrolleret eksponering, som involverede indånding af materialet gennem en ansigtsmaske. Deltagerne indåndede grafenoxid i to timer, mens de cyklede i et specifikt designet mobilt eksponeringskammer. Frivillige vendte derefter tilbage for gentagne kontrollerede eksponeringer et par uger senere. Denne gang fokuserede forskningen på at eksperimentere med grafenoxidpartikler af forskellige størrelser.

Så inhalerede de 14 unge, sunde frivillige både små og ekstremt små GO-nanosheets med en koncentration på 200 μg m−3 (mikrogram per kubikmeter luft) ved gentagne besøg. Den faktiske koncentration af s-GO var 214 ± 23 μg m−3, og af us-GO var 224 ± 17 μg m−3, som blev holdt på et konstant niveau gennem de to timer.

Udnyttelse af nanoteknologi bedst muligt

Undersøgelsen målte materialets påvirkning af lungefunktion, blodkoagulation, blodtryk og inflammation i blodet før eksponeringen og med to timers intervaller. 

Forskerne fandt ingen negative virkninger af materialet på blodtryk eller lungefunktion. Det havde ingen ugunstige reaktioner i de andre biologiske parametre, der blev undersøgt. Dog bemærkede de, at indånding af grafenoxid kan påvirke blodkoagulationen, men understregede, at effekten var meget lille.

Hvad angår analysen af den stærkt berigede blodproteomik, viste den meget få differentielle plasma-proteiner, mens trombedannelse kun let var øget i en ex vivo-model af arteriel skade. 

Denne undersøgelse, ifølge professor Kostas Kostarelos fra University of Manchester og det katalanske institut for nanovidenskab og nanoteknologi (ICN2) i Barcelona, viser, at rene former for grafenoxid kan videreudvikles, mens risikoen for menneskers sundhed minimeres. Han bemærkede:

“Det har taget os mere end ti år at udvikle den nødvendige viden til at udføre denne forskning, både fra et materiale- og biologisk videnskabsperspektiv, men også fra den kliniske kapacitet til sikkert at gennemføre sådanne kontrollerede studier.”

Undersøgelsen 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 finde ud af, om højere doser af forskellige former for grafen vil have en anden effekt på sundheden. Forskerteamet er også interesseret i at undersøge, om længerevarende eksponering for grafenoxid vil medføre yderligere sundhedsrisici. 

Mens nanomaterialer som grafen har stort potentiale, skal det sikres, at “de fremstilles på en sikker måde, før de kan anvendes bredere i vores liv,” sagde Dr. Mark Miller (BSc, PhD), seniorforskningsmedarbejder ved University of Edinburgh’s Centre for Cardiovascular Science. Undersøgelse af grafens sikkerhed i mennesker vil hjælpe os med at forstå, hvordan dette unikke materiale kan påvirke kroppen, og “med omhyggeligt design kan vi sikkert udnytte nanoteknologien mest muligt,” tilføjede han.

Når det gælder undersøgelsens begrænsninger, bemærkede forskerne, at den kun opdagede ændringer i biologiske parametre baseret på deres tidligere arbejde med dieseludstødningsnanopartikler, og antallet af deltagere kan være utilstrækkeligt til at opdage de mere subtile virkninger af GO-indånding.

Forskerne valgte også doseringen specifikt for at forhindre tydelige fysiologiske effekter, hvilket antyder, at højere koncentrationer af GO eller længere eksponeringstider kan afsløre virkninger, der ikke blev observeret i denne undersøgelse. Desuden betød manglen på mulighed for at forlænge undersøgelsen ud over 6 timer, at den sandsynligvis gik glip af nogle inflammatoriske veje.

Det sagt, viser undersøgelsen tydeligt, at indånding af de ultra-purificerede og tynde grafenoxid-nanosheets, som er nanometer-størrelse, ikke påvirker sunde mennesker. På denne måde lægges grundlaget for at undersøge virkningerne af andre todimensionale nanomaterialer (flade, ikke-sfæriske stoffer med én dimension <100 nm) i mennesker. 

Denne undersøgelse åbner døren for at udvikle nye metoder til at levere lægemidler til behandling af sygdomme. Når man designer et optimeret lægemiddelleveringssystem, er målet at transportere terapeutiske midler på en kontrolleret måde, samtidig med at bivirkninger på sundt væv minimeres. 

Det er uden tvivl et stort skridt mod en omfattende risikovurdering af grafen og 2D-nanomaterialer, som har potentiale til at tackle flere globale udfordringer ved at anvende en safe-by-design tilgang for at udnytte dette unikke materiales sande potentiale.

Virksomheder, der udforsker grafen

Grafenbaserede løsninger kan gavne mange industrier og utallige virksomheder som Tesla (TSLA ), Samsung, Lockheed Martin (LMT ), Ford, Intel (INTC ) og 3M, blandt andre. Lad os nu se på virksomheder, der udforsker grafen og udvikler løsninger baseret på materialet:

#1. Graphenea

Den førende producent af grafenbaserede materialer, Graphenea, leverer grafen af høj kvalitet til forsknings- og industrielle anvendelser. Virksomhedens portefølje består af grafenoxid, grafen field-effect transistor-chips (GFET’er), CVD-grafenfilm og grafen-fundamentstjenester (GFAB). 

Grapheneas produktliste inkluderer desuden et Graphenea-kort samt mGFET-4D og mGEFD-4P til sensorteknologier. Virksomheden er partner i Graphene Flagship, som hævdes at være den største forskningsinitiativer i Europa med koordinerede indsatser og et budget på 1 milliard €.

#2. Haydale Graphene Industries

Det globale teknologifirma specialiserer sig i forarbejdning af grafen, blandt andre nanomaterialer, til forskellige anvendelser. Med en markedsværdi på 4,44 millioner er Haydale Graphene Industries (HAYD-GB: London Stock Exchange) aktierne handlet til 0,45, ned 5,26 % år‑til‑dato (YTD). Virksomheden har et EPS (TTM) på -0,85 og en P/E (TTM) på -0,53. 

Virksomhedens årlig nettoindkomst er faldet 28,20 % til et tab på 6,17 mln på trods af en stigning på over 48 % i omsætningen til 4,30 mln, hvilket skyldes en stigning i omkostningerne til solgte varer som procentdel af salget. I anden halvdel af sidste år rejste Haydale £5 mio gennem et abonnement på 0,5 p/aktie og gav et detailtilbud på op til £1 mio til individuelle investorer. 

Virksomheden har for nylig indgået partnerskab med PETRONAS Ventures, den teknologiske kommercialiseringsarm af det malaysiske olie- og gasselskab Petroliam Nasional Berhad, for at funktionalisere grafen til produktapplikationer. Dette samarbejde var et forsøg på at fremme masseproduktionen af grafenbaserede produkter i adskillige industrier. 

I december 2023 gav den walisiske regering virksomheden SMART-finansiering til at udvikle grafen-infunderede varmetransportvæsker i partnerskab med den vandbaserede varmetransportvæskeproducent Hydratech.

#3. IBM

Denne teknologigigant har udforsket grafen inden for elektronik. For omkring et årti siden byggede IBM en grafenchip, der var 10.000 gange hurtigere end tidligere grafen-IC’er. Mange år senere udnyttede IBM grafens unikke egenskaber til at udvikle fremstillingsteknikker, der gjorde det muligt at skalere halvlederkomponenter til funktionelle størrelser mindre end 7 nanometer på siliciumskiver. 

Dette repræsenterer et betydeligt spring i halvlederteknologi, der skubber grænserne for miniaturisering og ydeevne. IBM har investeret meget tid og milliarder af dollars i fremtiden for nanoelektronik, herunder brug af grafen.

Med en markedsværdi på 164 mia. $ er virksomhedens aktier (IBM: NYSE) handlet til $181,20, op 9,87 % år‑til‑dato. IBM har rapporteret en omsætning (TTM) på 61,86 mia. $, et EPS (TTM) på 8,03, en P/E (TTM) på 22,37 og en ROE (TTM) på 33,36 %. Virksomheden betaler også et udbytte på 3,70 %.

Konklusion

Grafen, et ekstremt alsidigt materiale, har brede anvendelser inden for energi-, elektronik- og byggebranchen. I teknologisektoren kan dette materiale fuldstændigt ændre måden, vi interagerer med teknologi på. Denne undersøgelse viser yderligere, at den medicinske sektor kan bruge dette unikke materiale sikkert uden nogen skadelige virkninger på menneskers sundhed og krop. Dog kræver realiseringen af grafens fulde fordele masseproduktion til lave omkostninger, en milepæl der endnu ikke er nået. 

Alligevel kan man ikke benægte, at grafen er “fremtidens materiale”, og med rette. Som verdens tyndeste, mest fleksible og stærkeste materiale repræsenterer det en reel revolution, der kan ændre verden.

Klik her for at lære om nanoskalagrafit, der er klar til kommercialisering.