Biotechnologie
Entwicklung von Graphen‑basierten Lösungen wahrscheinlicher, da gesundheitliche Auswirkungen minimal erscheinen
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Graphen, mit seinem enormen Potenzial, stellt einen bedeutenden Durchbruch in der Materialwissenschaft dar. Aus Graphit, einer kristallinen Form von Kohlenstoff, extrahiert, ist Graphen ein bemerkenswert bedeutendes Material und kein Element. Man findet es häufig in der Mine eines Bleistifts.
Als das dünnste Material, nur ein Atom dick, zeichnet sich Graphen durch seine Leichtigkeit, Elastizität und Zähigkeit aus. Es besitzt eine Festigkeit, die 200‑mal größer ist als die von Stahl, und eine Dicke, die tausendmal geringer ist als die eines menschlichen Haares.
Dieses einzigartige Material ist fünfmal leichter als Aluminium, das selbst dreimal leichter als Stahl ist, und besitzt vielfältige Eigenschaften. Dazu gehören die Fähigkeit, Licht zu absorbieren, sowie hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, die den Weg für Innovationen in verschiedenen Sektoren ebnen.
In der Elektronikindustrie verlängert die hohe Leitfähigkeit von Graphen die Lebensdauer von Batterien erheblich und verkürzt die Ladezeit, wodurch die Energieeffizienz und die Gerätedauerhaftigkeit verbessert und Überhitzung verhindert wird. Seine Leichtigkeit überwindet eine der wesentlichen Einschränkungen von Drohnen – das schwere Batteriematerial für Energiespeicherung.
Die Flexibilität von Graphen und seine Fähigkeit, nur minimal Licht zu absorbieren, machen es ideal für die Herstellung langlebiger Bildschirme für verschiedene Geräte. Gleichzeitig macht seine Festigkeit es zu einem entscheidenden Baustein für Fortschritte im Beleuchtungssektor.
Im Bauwesen verbessert Graphen die Gebäudedämmung und bietet Widerstand gegen Feuchtigkeit, Korrosion und Feuer, was zu einer besseren thermischen Regulierung in Häusern beiträgt. Daher kann es im Bereich der erneuerbaren Energien sehr nützlich sein, da es mehr Energie erzeugen kann, als derzeit produziert wird. Gleichzeitig kann es im Gesundheitswesen leichtere Hörgeräte sowie Knochen und Muskeln durch chirurgische Eingriffe unterstützen.
Mögliche Anwendungen von Graphen umfassen zudem Transistoren, Antennen, Computerchips, Superkondensatoren, DNA‑Sequenzierung, Wasserfilter und Solarzellen.
Angesichts der unterschiedlichen Eigenschaften von Graphen und seines Potenzials, zahlreiche Sektoren zu revolutionieren, beobachtet die Wissenschaftsgemeinde Graphen genau. Forscher und Unternehmen weltweit studieren und experimentieren mit diesem Material.
Nur diese Woche fand eine Studie von MIT‑Physikern einen „fractional quantum anomalous Hall effect“ in Graphen. Der fraktionale Quanten‑Hall‑Effekt ist ein äußerst seltenes Phänomen, das, wenn es kontrolliert wird, beim Bau fehlertoleranter Quantencomputer helfen kann.
Dieser Effekt wird nur selten beobachtet, meist unter sehr hohen, sorgfältig aufrechterhaltenen Magnetfeldern. Dieses Mal wurde der Effekt jedoch in einem Material entdeckt, bei dem Wissenschaftler ihn nicht erwartet hatten, und zudem in Abwesenheit eines Magnetfeldes. Diese Entdeckung hat bedeutende Implikationen für die Grundlagenphysik. Sie dürfte den Weg für eine neue Form des Quantencomputings ebnen, die wesentlich störungsresistenter ist.
In einer anderen Studie enthüllten die Forscher eine neuartige Methode zur Synthese von Graphenoxid (GO), das in Lösungsmitteln dispergierbar ist. Die neue Methode kombinierte die Säure aus dem Hummers‑Verfahren und das Oxidationsmittel aus dem Brodie‑Verfahren, um GO auf einfache Weise, jedoch mit wenigen Defekten, zu produzieren.
Allerdings wird Graphen, trotz seines enormen Anwendungspotenzials, noch nicht breit eingesetzt und befindet sich noch in der Erkundungsphase. Begrenzte Produktionsmengen, hohe Kosten und Gesundheitsrisiken sind die größten Faktoren, die die Einführung von Graphen hemmen. Einer dieser Faktoren könnte jedoch weniger einschränkend sein.
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Menschliche Studie zeigt, dass das Einatmen von Graphen sicher ist
Graphen wurde erstmals 2004 von den Wissenschaftlern Andre Geim und Konstantin Novoselov isoliert, wofür sie 2010 den Nobelpreis für Physik erhielten. Als „Wunderstoff“ gepriesen, wurde Graphen weltweit erforscht, auch im Gesundheitsbereich, etwa in implantierbaren Geräten und Sensoren.
Im Gesundheitswesen wird das Material ebenfalls hinsichtlich gezielter Therapeutika gegen Krankheiten wie Krebs untersucht. Aber natürlich muss das Material, bevor es für medizinische Zwecke verwendet werden kann, auf mögliche Nebenwirkungen getestet werden. Und eine aktuelle Studie legt nahe, dass ein spezifischer Typ von Graphen ohne akutes Risiko für die menschliche Gesundheit eingeatmet werden kann.
Diese klinische Studie, die die erste kontrollierte Exposition darstellte, nutzte eine dünne, ultra‑reine, wasserkompatible Form des Materials – Graphenoxid (GO).
Graphen ist ein 2D‑Nanomaterial aus einer einzelnen oder wenigen Schichten eines Kohlenstoffgitters, und seine oxidierte Form hat dank ihrer Verträglichkeit mit Blutzellen, Hydrophilie, großer Oberfläche für chemische Funktionalisierung und angemessener kolloidaler Stabilität in biologisch relevanten Lösungen in den Biowissenschaften vielversprechend gezeigt. Besonders geschichtete Graphenoxid‑Materialien werden für Membran‑Anwendungen untersucht. Allerdings gibt es nur begrenzte und inkonsistente toxikologische Daten zu Graphenoxid.
Während es für breite Anwendungen entwickelt wird, weist das Studium darauf hin, dass Nanomaterialien aus Graphenoxid potenzielle Sicherheitsbedenken für die menschliche Gesundheit mit sich bringen. Daher führte das Team eine doppelblinde, randomisierte, kontrollierte Studie durch, um herauszufinden, wie das Einatmen dieses Materials die akuten Funktionen unserer Lungen und Blutgefäße beeinflusst.
Die hochreinen, dünnen und metall‑ sowie endotoxin‑freien GO‑Materialien wurden mittels einer modifizierten Hummers‑Methode synthetisiert. Die GO‑Nanoschichten (2D‑Nanostrukturen mit einer Dicke zwischen 1 und 100 nm) hatten eine streng definierte Größe und keine elementaren Verunreinigungen. Die Studie nutzte zwei laterale Dimensionen: kleines GO (s‑GO) und ultrasmall GO (us‑GO).
Über ein Dutzend Freiwillige nahmen an der Studie teil, bei der sie einer sorgfältig kontrollierten Exposition ausgesetzt wurden, die das Einatmen des Materials durch eine Gesichtsmaske beinhaltete. Graphenoxid wurde von den Teilnehmenden für zwei Stunden eingeatmet, während sie in einer speziell entworfenen mobilen Expositionskammer radelten. Die Freiwilligen kehrten einige Wochen später für wiederholte kontrollierte Expositionen zurück. Dieses Mal konzentrierte sich die Forschung auf die Untersuchung von Graphenoxid‑Partikeln verschiedener Größen.
So inhalieren die 14 jungen, gesunden Freiwilligen sowohl kleine als auch extrem kleine GO‑Nanoschichten mit einer Konzentration von 200 µg m⁻³ (Mikrogramm pro Kubikmeter Luft) bei wiederholten Besuchen. Die tatsächliche Konzentration von s‑GO betrug 214 ± 23 µg m⁻³, und die von us‑GO 224 ± 17 µg m⁻³, die während der zwei Stunden konstant gehalten wurden.
Das Beste aus der Nanotechnologie herausholen
Die Studie maß die Auswirkungen des Materials auf Lungenfunktion, Blutgerinnung, Blutdruck und Entzündungen im Blut vor der Exposition und in zwei‑Stunden‑Abständen.
Forscher fanden keine nachteiligen Auswirkungen des Materials auf den Blutdruck oder die Lungenfunktion. Es zeigte keine ungünstige Reaktion in anderen untersuchten biologischen Parametern. Sie bemerkten jedoch, dass das Einatmen von Graphenoxid die Blutgerinnung leicht beeinflussen könnte, betonten jedoch, dass der Effekt sehr gering sei.
Was die Analyse der stark angereicherten Blut‑Proteomik betrifft, zeigte sie nur wenige differentielle Plasmaproteine, während die Thrombusbildung in einem ex‑vivo‑Modell von arterieller Verletzung nur leicht erhöht war.
This study, according to Professor Kostas Kostarelos, University of Manchester, and the Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) in Barcelona, demonstrates that pure forms of graphene oxide can be developed further while minimizing the risk to human health. He noted:
“Es hat mehr als zehn Jahre gedauert, das Wissen zu entwickeln, um diese Forschung aus material‑ und biologikwissenschaftlicher Sicht durchzuführen, aber auch aus klinischer Sicht, um solche kontrollierten Studien sicher zu realisieren.”
Die Studie wurde von Forschern der Universitäten Edinburgh und Manchester durchgeführt und von UKRI EPSRC sowie der British Heart Foundation finanziert. Laut den Forschern ist weitere Arbeit nötig, um zu klären, ob höhere Dosen verschiedener Graphen‑Formen unterschiedliche gesundheitliche Auswirkungen haben. Das Forscherteam ist zudem daran interessiert, zu untersuchen, ob eine verlängerte Exposition gegenüber Graphenoxid zusätzliche Gesundheitsrisiken birgt.
Während Nanomaterialien wie Graphen großes Potenzial besitzen, muss sichergestellt werden, dass “sie auf eine sichere Weise hergestellt werden, bevor sie breiter in unserem Leben eingesetzt werden können”, sagte Dr. Mark Miller (BSc, PhD), Senior Research Fellow am Centre for Cardiovascular Science der Universität Edinburgh. Die Untersuchung der Sicherheit von Graphen beim Menschen wird uns helfen zu verstehen, wie dieses einzigartige Material den Körper beeinflussen könnte, und “mit sorgfältigem Design können wir die Nanotechnologie sicher optimal nutzen”, fügte er hinzu.
Bezüglich der Einschränkungen der Studie bemerkten die Forscher, dass sie nur Änderungen in biologischen Parametern basierend auf ihrer früheren Arbeit mit Diesel‑Exhaust‑Nanopartikeln nachweisen konnten und die Teilnehmerzahl möglicherweise nicht ausreicht, um subtilere Effekte des GO‑Einatmens zu erfassen.
Außerdem wählten die Forscher die Dosierung bewusst, um offensichtliche physiologische Effekte zu vermeiden, was darauf hindeutet, dass höhere Konzentrationen von GO oder längere Expositionszeiten Effekte zeigen könnten, die in dieser Studie nicht beobachtet wurden. Zusätzlich führte die Unfähigkeit, die Studie über 6 Stunden hinaus zu verlängern, dazu, dass einige Entzündungswege möglicherweise nicht erfasst wurden.
Dennoch zeigt die Studie eindeutig, dass das Einatmen der ultra‑reinen und dünnen Graphenoxid‑Nanoschichten, die nanometergroß sind, gesunde Menschen nicht beeinträchtigt. Damit legt sie die Grundlagen, die Auswirkungen anderer zweidimensionaler Nanomaterialien (flache, nicht kugelförmige Substanzen mit einer Dimension <100 nm) beim Menschen zu untersuchen.
Diese Studie eröffnet die Tür zur Entwicklung neuer Methoden zur Medikamentenabgabe zur Behandlung von Krankheiten. Beim Entwurf eines optimierten Wirkstoffabgabesystems ist das Ziel, therapeutische Mittel kontrollierbar zu transportieren und gleichzeitig Nebenwirkungen für gesundes Gewebe zu minimieren.
Es ist sicherlich ein bedeutender Schritt hin zu einer umfassenden Risikobewertung von Graphen und 2D‑Nanomaterialien, die das Potenzial haben, mehrere globale Herausforderungen zu adressieren, um einen Safe‑by‑Design‑Ansatz zu verfolgen und das wahre Potenzial dieses einzigartigen Materials zu nutzen.
Unternehmen, die Graphen erforschen
Graphen‑basierte Lösungen können vielen Branchen und zahlreichen Unternehmen wie Tesla (TSLA ), Samsung, Lockheed Martin (LMT ), Ford, Intel (INTC ) und 3M erheblich zugutekommen. Werfen wir nun einen Blick auf Unternehmen, die Graphen erforschen und auf Basis des Materials Lösungen entwickeln:
#1. Graphenea
Der führende Hersteller von Graphen‑basierten Materialien, Graphenea, liefert hochwertiges Graphen für Forschungs‑ und Industrieanwendungen. Das Portfolio des Unternehmens umfasst Graphenoxid, Graphen‑Feldeffekt‑Transistor‑Chips (GFETs), CVD‑Graphen‑Filme und Graphen‑Foundry‑Services (GFAB).
Die Produktpalette von Graphenea beinhaltet zudem eine Graphenea‑Karte und mGFET‑4D sowie mGEFD‑4P für Sensoranwendungen. Das Unternehmen ist Partner des Graphene Flagship, das als größte Forschungsinitiative in Europa für koordinierte Anstrengungen mit einem Budget von 1 Milliarde € gilt.
#2. Haydale Graphene Industries
Das globale Technologieunternehmen spezialisiert sich auf die Verarbeitung von Graphen und anderen Nanomaterialien für verschiedene Anwendungen. Mit einer Marktkapitalisierung von 4,44 Millionen handeln die Aktien von Haydale Graphene Industries (HAYD‑GB: London Stock Exchange) bei 0,45, ein Rückgang von 5,26 % im Jahresverlauf (YTD). Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von –0,85 und ein P/E (TTM) von –0,53 auf.
Der jährliche Nettogewinn ist um 28,20 % auf einen Verlust von 6,17 Mio. gesunken, trotz eines über 48 %igen Umsatzanstiegs auf 4,30 Mio., was auf steigende Kosten der verkauften Waren als Prozentsatz des Umsatzes zurückzuführen ist. In der zweiten Hälfte des letzten Jahres beschaffte Haydale 5 Mio. £ durch ein Abonnement zu 0,5 p/Aktie und bot ein Einzelhandelsangebot von bis zu 1 Mio. £ für private Investoren.
Das Unternehmen hat kürzlich eine Partnerschaft mit PETRONAS Ventures, dem Technologietransferarm des malaysischen Öl‑ und Gasunternehmens Petroliam Nasional Berhad, geschlossen, um Graphen für Produktanwendungen zu funktionalisieren. Diese Zusammenarbeit war ein Versuch, die Massenproduktion von Graphen‑basierten Produkten in zahlreichen Industrien voranzutreiben.
Im Dez. 2023 erhielt das Unternehmen vom walisischen Staat SMART‑Fördermittel, um graphene‑infundierte Wärmeübertragungsflüssigkeiten in Zusammenarbeit mit dem Hersteller wasserbasierter Wärmeübertragungsflüssigkeiten Hydratech zu entwickeln.
#3. IBM
Dieser Technologieriese erforscht Graphen in der Elektronik. Vor etwa einem Jahrzehnt baute IBM einen Graphen‑Chip, der 10.000‑mal schneller war als frühere Graphen‑ICs. Jahre später nutzte IBM die einzigartigen Eigenschaften von Graphen, um Fertigungstechniken zu entwickeln, die die Skalierung von Halbleitergeräten auf Feature‑Größen unter 7 Nanometer auf Siliziumwafern ermöglichten.
Dies stellt einen bedeutenden Sprung in der Halbleitertechnologie dar und erweitert die Grenzen von Miniaturisierung und Leistung. IBM investiert viel Zeit und Milliarden von Dollar in die Zukunft der Nanoelektronik, einschließlich der Nutzung von Graphen.
IBM Preisdiagramm
Mit einer Marktkapitalisierung von 164 Mrd. $ handeln die Aktien des Unternehmens (IBM: NYSE) bei 181,20 $, ein Anstieg von 9,87 % YTD. IBM hat einen Umsatz (TTM) von 61,86 Mrd. $ und ein EPS (TTM) von 8,03, ein P/E (TTM) von 22,37 und ein ROE (TTM) von 33,36 %. Das Unternehmen zahlt zudem eine Dividendenrendite von 3,70 %.
Fazit
Graphen, ein extrem vielseitiges Material, findet umfangreiche Anwendungen in den Bereichen Energie, Elektronik und Bauwesen. Im Technologiesektor kann dieses Material die Art und Weise, wie wir mit Technologie interagieren, vollständig verändern. Diese Studie zeigt zudem, dass der Medizinsektor dieses einzigartige Material sicher nutzen kann, ohne schädliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und den Körper. Allerdings erfordert die Realisierung der vollen Vorteile von Graphen eine Massenproduktion zu niedrigen Kosten, ein Meilenstein, der noch nicht erreicht ist.
Dennoch kann man nicht leugnen, dass Graphen das „Material der Zukunft“ ist, und das zu Recht. Als das weltweit dünnste, flexibelste und stärkste Material verkörpert es eine echte Revolution, die die Welt verändern kann.
