Ανάπτυξη Λύσεων Βασισμένων σε Γραφένιο Πιθανότερη καθώς οι Επιπτώσεις στην Υγεία Φαίνονται Ελάχιστες

Το γραφένιο, με τη τεράστια δυνατότητά του, αποτελεί μια σημαντική πρόοδο στην επιστήμη των υλικών. Εξάγεται από το γραφίτη, μια κρυσταλλική μορφή του άνθρακα, και αποτελεί ένα εξαιρετικά σημαντικό υλικό παρά στοιχείο. Συνήθως το βρίσκετε στο μολύβι.

Ως το πιο λεπτό υλικό, με πάχος μόλις ενός ατόμου, το γραφένιο ξεχωρίζει με την ελαφρότητα, την ελαστικότητα και την ανθεκτικότητά του. Διαθέτει αντοχή 200 φορές μεγαλύτερη από το χάλυβα και πάχος χίλια φορές μικρότερο από τα ανθρώπινα μαλλιά.

Αυτό το μοναδικό υλικό είναι πέντε φορές ελαφρύτερο από το αλουμίνιο, το οποίο είναι ήδη τρεις φορές ελαφρύτερο από το χάλυβα, και διαθέτει ποικίλες ιδιότητες. Αυτές περιλαμβάνουν την ικανότητα απορρόφησης φωτός καθώς και υψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, ανοίγοντας το δρόμο για καινοτομίες σε διάφορους τομείς.

Στη βιομηχανία ηλεκτρονικών, η υψηλή αγωγιμότητα του γραφενίου παρατείνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής των μπαταριών και μειώνει τον χρόνο φόρτισης, βελτιώνοντας την ενεργειακή αποδοτικότητα και την ανθεκτικότητα των συσκευών ενώ αποτρέπει την υπερθέρμανση. Η ελαφρότητά του ξεπερνά έναν από τους σημαντικούς περιορισμούς των drones — τη βαριά κατασκευή μπαταριών για αποθήκευση ενέργειας.

Η ευελιξία του γραφενίου και η ικανότητά του να απορροφά ελάχιστο φως το καθιστούν ιδανικό για την κατασκευή ανθεκτικών οθονών για διάφορες συσκευές. Επιπλέον, η ανθεκτικότητά του το καθιστά κρίσιμο στοιχείο για προόδους στον τομέα του φωτισμού.

Στην κατασκευή, το γραφένιο βελτιώνει την μόνωση των κτιρίων και προσφέρει αντοχή στην υγρασία, τη διάβρωση και τη φωτιά, συμβάλλοντας σε καλύτερη θερμική ρύθμιση στα σπίτια. Έτσι, μπορεί να είναι ιδιαίτερα ωφέλιμο στον τομέα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, καθώς θα παράγει περισσότερη ενέργεια από ό,τι παράγεται σήμερα. Στον τομέα της υγείας, μπορεί να βοηθήσει στη δημιουργία ελαφρύτερων ακουστικών βοηθημάτων καθώς και στην αναπλήρωση οστών και μυών μέσω χειρουργικών επεμβάσεων.

Οι πιθανές εφαρμογές του γραφενίου περιλαμβάνουν επίσης τρανζίστορ, κεραίες, μικροεπεξεργαστές, υπερπυκνωτές, αλληλούχιση DNA, φίλτρα νερού και ηλιακά κύτταρα.

Δεδομένων των διαφορετικών ιδιοτήτων του γραφενίου και του δυναμικού του να φέρει επανάσταση σε πολλούς τομείς, η επιστημονική κοινότητα παρακολουθεί στενά το γραφένιο. Ερευνητές και εταιρείες σε όλο τον κόσμο μελετούν και πειραματίζονται με αυτό το υλικό.

Μόλις αυτήν την εβδομάδα, μια μελέτη από φυσικούς του MIT βρήκε ένα «fractional quantum anomalous Hall effect» στο γραφένιο. Το Fractional quantum Hall effect είναι ένα εξαιρετικά σπάνιο φαινόμενο που, αν ελεγχθεί, μπορεί να βοηθήσει στην κατασκευή υπολογιστών κβαντικού τύπου ανθεκτικών σε σφάλματα. 

Αυτό το φαινόμενο παρατηρείται μόνο λίγες φορές, και κυρίως υπό πολύ υψηλά, προσεκτικά διατηρημένα μαγνητικά πεδία. Ωστόσο, αυτή τη φορά, το φαινόμενο παρατηρήθηκε σε υλικό που οι επιστήμονες δεν το περίμεναν και, επιπλέον, στην απουσία μαγνητικού πεδίου. Αυτή η ανακάλυψη έχει σημαντικές επιπτώσεις για το πεδίο της θεμελιώδους φυσικής. Πιθανότατα θα ανοίξει το δρόμο για μια νέα μορφή κβαντικού υπολογισμού που είναι σημαντικά πιο ανθεκτική σε διαταραχές.

Σε άλλη μελέτη, οι ερευνητές αποκάλυψαν μια νέα μέθοδος σύνθεσης γραφενίου οξειδίου (GO), η οποία διασπείρεται σε διαλύτες. Η νέα μέθοδος συνδύασε το οξύ από τη μέθοδο Hummers και το οξειδωτικό από τη μέθοδο Brodie για την παραγωγή GO με απλό τρόπο αλλά με μικρό αριθμό ελαττωμάτων.

Ωστόσο, ενώ το γραφένιο έχει τεράστιο δυναμικό εφαρμογών, δεν χρησιμοποιείται ακόμη ευρέως και εξακολουθεί να διερευνάται. Ο περιορισμένος όγκος παραγωγής, το υψηλό κόστος και οι κίνδυνοι για την υγεία είναι οι μεγαλύτεροι παράγοντες που περιορίζουν την υιοθέτηση του γραφενίου. Ωστόσο, ένας από αυτούς τους παράγοντες ίσως να μην είναι τόσο περιοριστικός.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε αν τα ημιαγωγικά γραφενίου είναι πραγματικά εδώ.

Human Trial Shows Inhaling Graphene is Safe

Το γραφένιο απομονώθηκε για πρώτη φορά από τους επιστήμονες Andre Geim και Konstantin Novoselov το 2004, για το οποίο έλαβαν το Βραβείο Νόμπελ στη Φυσική το 2010. Θεωρούμενο ως «υλικό θαύμα», το γραφένιο έχει μελετηθεί παγκοσμίως, συμπεριλαμβανομένου του τομέα της υγειονομικής περίθαλψης, μέσω εμφυτευόμενων συσκευών και αισθητήρων.

Στην υγειονομική περίθαλψη, το υλικό επίσης διερευνάται για στοχευμένες θεραπείες κατά παθήσεων όπως ο καρκίνος. Φυσικά, πριν το υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ιατρικούς σκοπούς, πρέπει να δοκιμαστεί για τυχόν πιθανές ανεπιθύμητες επιδράσεις. Και μια πρόσφατη μελέτη υποδηλώνει ότι ένας συγκεκριμένος τύπος γραφενίου μπορεί να εισπνευστεί χωρίς κανέναν οξύ κίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία. 

Αυτή η κλινική δοκιμή, η οποία περιελάμβανε την πρώτη ελεγχόμενη έκθεση, χρησιμοποίησε μια λεπτή, υπερ-καθαρή μορφή του υλικού συμβατή με το νερό — το οξείδιο γραφενίου (GO).

Το γραφένιο είναι ένα 2Δ νανοϋλικό με μία ή λίγες στρώσεις του δικτύου άνθρακα, και η οξειδωμένη του μορφή έχει δείξει υποσχόμενα αποτελέσματα στις βιοϊατρικές επιστήμες χάρη στη συμβατότητά του με τα αιμοσφαίρια, την υδρόφιλη φύση, την υψηλή επιφάνεια για χημική λειτουργικοποίηση και τη λογική αποσταθεροποίηση σε βιολογικά σχετικές διαλύσεις. Τα στρωματωμένα υλικά οξειδίου γραφενίου, ειδικά, μελετώνται για εφαρμογές μεμβρανών. Ωστόσο, υπάρχουν περιορισμένα και ασυνεπή τοξικολογικά δεδομένα για το οξείδιο γραφενίου.

Καθώς αναπτύσσεται για ευρείες εφαρμογές, όπως σημειώθηκε στη μελέτη, τα νανοϋλικά οξειδίου γραφενίου συνδέονται με πιθανές ανησυχίες ασφαλείας για την ανθρώπινη υγεία. Ως αποτέλεσμα, η ομάδα διεξήγαγε μια τυφλή, τυχαιοποιημένη ελεγχόμενη δοκιμή για να διαπιστώσει πώς η εισπνοή αυτού του υλικού επηρεάζει τις οξείες λειτουργίες των πνευμόνων και των αιμοφόρων αγγείων.

Τα εξαιρετικά καθαρά, λεπτά και χωρίς μέταλλα και ενδοτοξίνες υλικά GO συντέθηκαν με μια τροποποιημένη μέθοδο Hummers. Τα φύλλα GO (2Δ νανοδομές με πάχος μεταξύ 1 έως 100 nm) είχαν αυστηρά ορισμένο μέγεθος και δεν περιείχαν στοιχειακές ακαθαρσίες. Η μελέτη χρησιμοποίησε δύο πλευρικές διαστάσεις: μικρό GO (s‑GO) και υπερμικρό GO (us‑GO).

Πάνω από δώδεκα εθελοντές συμμετείχαν στη μελέτη, όπου υπέστησαν προσεκτικά ελεγχόμενη έκθεση, η οποία περιελάμβανε την αναπνοή του υλικού μέσω μάσκας προσώπου. Το οξείδιο γραφενίου εισπνεύστηκε από τους συμμετέχοντες για δύο ώρες ενώ έκαναν ποδηλασία σε ειδικά σχεδιασμένη κινητή θάλασσα έκθεσης. Οι εθελοντές επέστρεψαν για επαναλαμβανόμενες ελεγχόμενες εκθέσεις μερικές εβδομάδες αργότερα. Αυτή τη φορά, η έρευνα επικεντρώθηκε στη δοκιμή σωματιδίων οξειδίου γραφενίου διαφόρων μεγεθών.

Έτσι, οι 14 νέοι, υγιείς εθελοντές εισπνοήσαν τόσο μικρά όσο και εξαιρετικά μικρά φύλλα GO με συγκέντρωση 200 μg m−3 (μικρογραμμάρια ανά κυβικό μέτρο αέρα) σε επαναλαμβανόμενες επισκέψεις. Η πραγματική συγκέντρωση του s‑GO ήταν 214 ± 23 μg m−3, και του us‑GO 224 ± 17 μg m−3, που διατηρήθηκαν σε σταθερό επίπεδο καθ’ όλη τη διάρκεια των δύο ωρών.

Making the Most of Nanotechnology

Η μελέτη μέτρησε τις επιδράσεις του υλικού στη λειτουργία των πνευμόνων, την πήξη του αίματος, την αρτηριακή πίεση και τη φλεγμονή στο αίμα πριν από την έκθεση και σε διαστήματα δύο ωρών.

Οι ερευνητές δεν βρήκαν ανεπιθύμητες επιδράσεις του υλικού στην αρτηριακή πίεση ή στη λειτουργία των πνευμόνων. Δεν παρατηρήθηκε αρνητική αντίδραση σε άλλες βιολογικές παραμέτρους που εξετάστηκαν. Ωστόσο, παρατήρησαν ότι η εισπνοή οξειδίου γραφενίου μπορεί να επηρεάσει τον τρόπο πήξης του αίματος, αλλά τόνισαν ότι η επίδραση ήταν πολύ μικρή.

Όσον αφορά την ανάλυση της πλούσιας πρωτεομικής ανάλυσης του αίματος, έδειξε πολύ λίγες διαφορικές πρωτεΐνες πλάσματος, ενώ η δημιουργία θρόμβου αυξήθηκε ελαφρώς μόνο σε ένα εξωζώντρια μοντέλο αγγειακής βλάβης.

Αυτή η μελέτη, σύμφωνα με τον καθηγητή Κώστα Κοσταρέλο, Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, και το Καταλανικό Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας (ICN2) στη Βαρκελώνη, δείχνει ότι οι καθαρές μορφές οξειδίου γραφενίου μπορούν να αναπτυχθούν περαιτέρω μειώνοντας τον κίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία. Σημείωσε:

“Έχουμε χρειαστεί πάνω από δέκα χρόνια για να αναπτύξουμε τη γνώση που απαιτείται για την εκτέλεση αυτής της έρευνας, από την άποψη των υλικών και της βιολογικής επιστήμης, αλλά και από την κλινική ικανότητα για την ασφαλή διεξαγωγή τέτοιων ελεγχόμενων μελετών.”

Η μελέτη πραγματοποιήθηκε από ερευνητές των Πανεπιστημίων του Έντμπροου και του Μάντσεστερ και χρηματοδοτήθηκε από το UKRI EPSRC και το British Heart Foundation. Σύμφωνα με τους ερευνητές, απαιτείται περαιτέρω εργασία για να διαπιστωθεί εάν υψηλότερες δόσεις διαφορετικών μορφών γραφενίου θα έχουν διαφορετική επίδραση στην υγεία. Η ομάδα ενδιαφέρεται επίσης να εξερευνήσει εάν η παρατεταμένη έκθεση στο οξείδιο γραφενίου θα προκαλέσει πρόσθετους κινδύνους για την υγεία.

Ενώ τα νανοϋλικά όπως το γραφένιο έχουν μεγάλη υπόσχεση, πρέπει να διασφαλιστεί ότι «κατασκευάζονται με ασφαλή τρόπο πριν χρησιμοποιηθούν ευρέως στην καθημερινή μας ζωή», δήλωσε ο Δρ. Mark Miller (BSc, PhD), ανώτερος ερευνητικός συνεργάτης στο Κέντρο Καρδιαγγειακής Επιστήμης του Πανεπιστημίου του Έντμπροου. Η διερεύνηση της ασφάλειας του γραφενίου στους ανθρώπους θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε πώς αυτό το μοναδικό υλικό μπορεί να επηρεάσει το σώμα, και «με προσεκτικό σχεδιασμό, μπορούμε με ασφάλεια να αξιοποιήσουμε στο έπακτο τη νανοτεχνολογία», πρόσθεσε.

Όσον αφορά τους περιορισμούς της μελέτης, οι ερευνητές σημείωσαν ότι ανίχνευσε μόνο αλλαγές σε βιολογικές παραμέτρους βάσει των προηγούμενων εργασιών τους με νανοσωματίδια εκπομπών ντίζελ, και ο αριθμός των συμμετεχόντων μπορεί να είναι ανεπαρκής για την ανίχνευση πιο λεπτών επιδράσεων της εισπνοής GO.

Επιπλέον, οι ερευνητές επέλεξαν τη δόση ειδικά για να αποτρέψουν εμφανείς φυσιολογικές επιδράσεις, υποδεικνύοντας ότι υψηλότερες συγκεντρώσεις GO ή μεγαλύτερη διάρκεια έκθεσης μπορεί να αποκαλύψουν επιδράσεις που δεν παρατηρήθηκαν σε αυτή τη μελέτη. Επιπλέον, η αδυναμία επέκτασης της μελέτης πέρα από 6 ώρες σημαίνει ότι πιθανώς δεν καταγράφησαν ορισμένες φλεγμονώδεις οδούς.

Παρόλα αυτά, η μελέτη δείχνει σαφώς ότι η εισπνοή των υπερκαθαρών και λεπτών φύλλων οξειδίου γραφενίου, που έχουν νανομετρικό μέγεθος, δεν επηρεάζει υγιείς ανθρώπους. Με αυτόν τον τρόπο, θέτει τα θεμέλια για τη διερεύνηση των επιδράσεων άλλων δισδιάστατων νανοϋλικών (επίπεδα, μη σφαιρικά σχήματα με μία διάσταση <100 nm) στους ανθρώπους.

Αυτή η μελέτη ανοίγει το δρόμο για την ανάπτυξη νέων μεθόδων παράδοσης φαρμάκων για τη θεραπεία ασθενειών. Κατά το σχεδιασμό ενός βελτιστοποιημένου συστήματος παράδοσης φαρμάκων, ο στόχος είναι η μεταφορά θεραπευτικών παραγόντων με ελεγχόμενο τρόπο, ελαχιστοποιώντας τις παρενέργειες στον υγιή ιστό.

Αποτελεί σίγουρα ένα σημαντικό βήμα προς μια ολοκληρωμένη αξιολόγηση κινδύνου του γραφενίου και των 2Δ νανοϋλικών που έχουν τη δυνατότητα να αντιμετωπίσουν πολλαπλές παγκόσμιες προκλήσεις, υιοθετώντας μια προσέγγιση ασφαλούς σχεδίασης για να αξιοποιήσουν το πραγματικό δυναμικό αυτού του μοναδικού υλικού.

Companies Exploring Graphene

Οι λύσεις βασισμένες σε γραφένιο μπορούν να ωφελήσουν σημαντικά πολλές βιομηχανίες και αμέτρητες εταιρείες όπως η Tesla (TSLA ), η Samsung, η Lockheed Martin (LMT ), η Ford, η Intel (INTC ) και η 3M, μεταξύ άλλων. Τώρα, ας ρίξουμε μια ματιά στις εταιρείες που εξερευνούν το γραφένιο και αναπτύσσουν λύσεις βασισμένες στο υλικό:

#1. Graphenea

Ο κορυφαίος κατασκευαστής υλικών βασισμένων σε γραφένιο, η Graphenea, παρέχει υψηλής ποιότητας γραφένιο για ερευνητικές και βιομηχανικές εφαρμογές. Το χαρτοφυλάκιο της εταιρείας περιλαμβάνει Graphene Oxide, τσιπ πεδίου-εφέ-γραφενίου (GFETs), φιλμ CVD Graphene και υπηρεσίες Foundry Graphene (GFAB).

Η λίστα προϊόντων της Graphenea περιλαμβάνει μια κάρτα Graphenea και τα mGFET-4D και mGEFD-4P για εφαρμογές ανίχνευσης. Η εταιρεία είναι συνεργάτης του Graphene Flagship, που θεωρείται η μεγαλύτερη ερευνητική πρωτοβουλία στην Ευρώπη για συντονισμένες προσπάθειες με προϋπολογισμό 1 δισεκατομμύριο €.

#2. Haydale Graphene Industries

Η παγκόσμια τεχνολογική εταιρεία εξειδικεύεται στην επεξεργασία γραφενίου, μεταξύ άλλων νανοϋλικών, για διάφορες εφαρμογές. Με κεφαλαιοποίηση αγοράς 4,44 εκατομμύρια, οι μετοχές της Haydale Graphene Industries (HAYD-GB: London Stock Exchange) διαπραγματεύονται στα 0,45, με πτώση 5,26% από την αρχή του έτους (YTD). Η εταιρεία έχει EPS (TTM) -0,85 και P/E (TTM) -0,53.

Το ετήσιο καθαρό εισόδημα έχει μειωθεί κατά 28,20% σε ζημία 6,17 εκατομμυρίων, παρά την αύξηση των εσόδων κατά 48% σε 4,30 εκατομμύρια, που οφείλεται στην αύξηση του κόστους των αγαθών ως ποσοστό των πωλήσεων. Στο δεύτερο εξάμηνο του περασμένου έτους, η Haydale συγκέντρωσε 5 εκατομμύρια λίρες από μια συνδρομή στα 0,5p ανά μετοχή και παρείχε λιανική προσφορά έως 1 εκατομμύριο λίρες για μεμονωμένους επενδυτές.

Η εταιρεία πρόσφατα συνεργάστηκε με την PETRONAS Ventures, το τμήμα εμπορευματοποίησης τεχνολογίας της Μαλαισιανής εταιρείας πετρελαίου και φυσικού αερίου Petroliam Nasional Berhad, για τη λειτουργικοποίηση του γραφενίου για προϊόντικές εφαρμογές. Αυτή η συνεργασία ήταν μια προσπάθεια να προωθηθεί η μαζική παραγωγή προϊόντων βασισμένων σε γραφένιο σε πολλούς κλάδους.

Τον Δεκ. 2023, η Κυβέρνηση της Ουαλίας παρείχε στην εταιρεία χρηματοδότηση SMART για την ανάπτυξη υγρών μεταφοράς θερμότητας εμπλουτισμένων με γραφένιο σε συνεργασία με τον κατασκευαστή υγρών μεταφοράς θερμότητας με βάση το νερό, Hydratech.

#3. IBM

Αυτός ο τεχνολογικός γίγαντας εξερευνά το γραφένιο στην ηλεκτρονική. Πριν περίπου μια δεκαετία, η IBM κατασκεύασε ένα τσιπ γραφενίου που ήταν 10.000 φορές ταχύτερο από τα προηγούμενα γραφενικά IC. Στη συνέχεια, πολλά χρόνια αργότερα, η IBM χρησιμοποίησε τις μοναδικές ιδιότητες του γραφενίου για την ανάπτυξη τεχνικών κατασκευής που επέτρεψαν την κλιμάκωση των ημιαγωγικών συσκευών σε μεγέθη χαρακτηριστικών μικρότερα από 7 νανόμετρα σε πυρήνες πυριτίου.

Αυτό αποτελεί σημαντικό άλμα στην τεχνολογία ημιαγωγών, ωθώντας τα όρια της ελαχιστοποίησης και της απόδοσης. Η IBM επενδύει πολύ χρόνο και δισεκατομμύρια δολάρια στο μέλλον της νανοηλεκτρονικής, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης του γραφενίου.

Με κεφαλαιοποίηση αγοράς 164 δισεκατομμυρίων δολαρίων, οι μετοχές της εταιρείας (IBM: NYSE) διαπραγματεύονται στα 181,20 δολάρια, με άνοδο 9,87% YTD. Η IBM ανακοίνωσε έσοδα (TTM) 61,86 δισεκατομμύρια δολάρια και έχει EPS (TTM) 8,03, P/E (TTM) 22,37, και ROE (TTM) 33,36%. Η εταιρεία επίσης καταβάλλει απόδοση μερισμάτων 3,70%.

Conclusion

Το γραφένιο, ένα εξαιρετικά ποικίλο υλικό, βρίσκει ευρείες εφαρμογές στους τομείς της ενέργειας, της ηλεκτρονικής και της κατασκευής. Στον τεχνολογικό τομέα, αυτό το υλικό μπορεί να αλλάξει εντελώς τον τρόπο που αλληλεπιδρούμε με την τεχνολογία. Αυτή η μελέτη δείχνει επίσης ότι ο ιατρικός τομέας μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτό το μοναδικό υλικό με ασφάλεια χωρίς επιβλαβείς επιδράσεις στην ανθρώπινη υγεία και το σώμα. Ωστόσο, η πλήρης αξιοποίηση των ωφελειών του γραφενίου απαιτεί μαζική παραγωγή σε χαμηλό κόστος, ένα ορόσημο που δεν έχει ακόμη επιτευχθεί.

Παρόλα αυτά, δεν μπορεί κανείς να αρνηθεί ότι το γραφένιο είναι το «υλικό του μέλλοντος», και δικαίως. Ως το πιο λεπτό, πιο ευέλικτο και πιο ισχυρό υλικό στον κόσμο, σηματοδοτεί μια πραγματική επανάσταση που μπορεί να αλλάξει τον κόσμο.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε για το νανοκλίμακα γραφίτη που προετοιμάζεται για εμπορευματοποίηση.