Grafeenipohjaisten ratkaisujen kehitys todennäköisemmin, kun terveysvaikutukset näyttävät vähäisiltä

Grafeeni, jolla on valtava potentiaali, edustaa merkittävää läpimurtoa materiaalitieteessä. Hiilikiteestä, hiilen kiteisestä muodosta, uutettu grafeeni on poikkeuksellisen merkittävä materiaali eikä alkuaine. Sitä löytyy yleisesti lyijykynän lyijystä.

Koska se on ohuin materiaali, vain yhden atomin paksuinen, grafeeni erottuu keveydellään, joustavuudellaan ja kestävyydellään. Sen lujuus on 200 kertaa suurempi kuin teräksellä ja paksuus tuhat kertaa ohuempi kuin ihmisen hiuksella.

Tämä ainutlaatuinen materiaali on viisi kertaa kevyempi kuin alumiini, joka on itsessään kolme kertaa kevyempi kuin teräs, ja sillä on monipuolisia ominaisuuksia. Näihin kuuluu valon absorbointikyky sekä korkea sähkö- ja lämmönjohtavuus, mikä avaa tietä innovaatioille eri aloilla.

Elektroniikkateollisuudessa grafeenin korkea johtavuus pidentää merkittävästi akkujen käyttöikää ja lyhentää latausaikaa, parantaen energiatehokkuutta ja laitteiden kestävyyttä samalla estäen ylikuumenemisen. Sen keveys poistaa yhden dronejen merkittävistä rajoitteista – akkujen painavan valmistuksen energian varastointiin.

Grafeenin joustavuus ja kyky absorboida vähäistä valoa tekevät siitä ihanteellisen kestävien näyttöjen valmistukseen eri laitteisiin. Samalla sen lujuus tekee siitä keskeisen komponentin valaistusalalla tapahtuville edistysaskeleille.

Rakentamisessa grafeeni parantaa rakennusten eristystä ja tarjoaa vastustuskykyä kosteudelle, korroosiolle ja tulipalolle, mikä edistää parempaa lämpötilansäätöä kodeissa. Näin ollen se voi olla erittäin hyödyllinen uusiutuvan energian sektorilla, sillä se tuottaa enemmän energiaa kuin tällä hetkellä tuotetaan. Samaan aikaan terveydenhuollossa se voi auttaa luomaan kevyempiä kuulolaitteita sekä luuta ja lihaksia kirurgisten toimenpiteiden avulla.

Grafeenin mahdolliset sovellukset sisältävät myös transistorit, antennit, tietokonepiirit, superkondensaattorit, DNA-sekvensoinnin, vesisuodattimet ja aurinkokennot.

Ottaen huomioon grafeenin moninaiset ominaisuudet ja sen potentiaalin mullistaa niin monia eri sektoreita, tieteellinen yhteisö on tarkkaillut grafeenia tarkasti. Tutkijat ja yritykset ympäri maailmaa ovat tutkineet ja kokeilleet tätä materiaalia.

Juuri tällä viikolla, yksi tutkimus MIT:n fyysikoiden tekemä löysi “murtolukuinen kvanttinen poikkeuksellinen Hallin efekti” grafeenissa. Murtolukuinen kvanttinen Hallin efekti on äärimmäisen harvinainen ilmiö, joka, jos sitä hallitaan, voi auttaa rakentamaan vikakestävien kvanttitietokoneiden.

Tätä ilmiötä on havaittu vain muutaman kerran, ja yleensä erittäin korkeissa, huolellisesti ylläpidetyissä magneettikentissä. Mutta tällä kertaa ilmiö havaittiin materiaalissa, jossa tutkijat eivät odottaneet sitä, ja lisäksi ilman magneettikenttää. Tämä löytö merkitsee merkittäviä vaikutuksia perusfysiikan alalle. Se todennäköisesti raivaa tietä uudelle kvanttilaskennan muodolle, joka on huomattavasti kestävämpi häiriöille.

Toisessa tutkimuksessa tutkijat paljastivat uuden menetelmän grafeenioksidin (GO) synteesiin, joka on liukeneva liuottimiin. Uusi menetelmä yhdisti Hummersin menetelmän happaman komponentin ja Brodien menetelmän hapettimen tuottaakseen GO:n yksinkertaisella tavalla, mutta pienellä määrä virheitä.

Kuitenkin, vaikka grafeenilla on valtava sovelluspotentiaali, sitä ei vielä käytetä laajasti ja sitä tutkitaan edelleen. Rajoitettu tuotantomäärä, korkea hinta ja terveysriskit ovat suurimmat tekijät, jotka rajoittavat grafeenin omaksumista. Kuitenkin yksi näistä tekijöistä ei ehkä ole niin rajoittava.

Klikkaa tästä saadaksesi tietää, ovatko grafeenisemikondensaattorit todella täällä.

Ihmistutkimus osoittaa, että grafeenin hengittäminen on turvallista

Grafeeni eristettiin ensimmäisen kerran tiedemiehillä Andre Geim ja Konstantin Novoselov vuonna 2004, mistä he saivat Nobel-palkinnon fysiikassa vuonna 2010. ‘Ihmeaineena’ ylistetty grafeeni on tutkittu ympäri maailmaa, myös terveydenhuollon alalla, implantoitavien laitteiden ja antureiden kautta.

Terveydenhuollossa materiaalia tutkitaan myös kohdennettujen hoitojen osalta sairauksia kuten syöpä vastaan. Mutta tietysti ennen kuin materiaalia voitaisiin käyttää lääketieteellisiin tarkoituksiin, se täytyy testata mahdollisten haittavaikutusten varalta. Ja äskettäinen tutkimus viittaa siihen, että tietty grafeenityyppi voidaan hengittää ilman akuutteja riskejä ihmisten terveydelle. 

Tämä kliininen tutkimus, joka sisälsi ensimmäisen kontrolloidun altistuksen, käytti ohutta, ultra-puhdasta, veden kanssa yhteensopivaa materiaalimuotoa — grafeenioksidia (GO).

Grafeeni on 2D-nanomateriaali, joka koostuu yhdestä tai muutamasta hiilirakenteen kerroksesta, ja sen oksidoitunut muoto on osoittanut lupaavuutta biolääketieteessä sen yhteensopivuuden veren solujen kanssa, hydrofobisuuden, suuren pinnan kemiallista funktionointia varten ja kohtuullisen kolloidisen stabiilisuuden biologisesti merkityksellisissä liuoksissa ansiosta. Erityisesti kerrostettuja grafeenioksidimateriaaleja tutkitaan kalvosovelluksissa. Kuitenkin grafeenioksidille on saatavilla rajoitetusti ja epäyhtenäisesti toksikologisia tietoja.

Vaikka sitä kehitetään laajoihin sovelluksiin, kuten tutkimus huomautti, grafeenioksidin nanomateriaalit liittyvät mahdollisiin turvallisuushuoliin ihmisten terveydelle. Tämän seurauksena tiimi toteutti kaksinkertaisen sokkoutuksen, satunnaistetun kontrolloidun tutkimuksen selvittääkseen, miten tämän materiaalin hengittäminen vaikuttaa keuhkojen ja verisuonten akuutteihin toimintoihin.

Erittäin puhdistetut, ohuet ja metallivapaat sekä endotoksineista vapaat GO-materiaalit synteettisiin muokatuin Hummersin menetelmällä. GO-nanosheetit (2D-nanorakenteet, joiden paksuus on 1–100 nm) olivat tarkasti määritellyn kokoisia eikä niissä ollut alkuainekontaminaatiota. Tutkimuksessa käytettiin kahta lateraalidimensiontia: pieni GO (s-GO) ja erittäin pieni GO (us-GO).

Yli kymmenen vapaaehtoista osallistui tutkimukseen, jossa he kokivat tarkasti hallitun altistuksen, hengittäen materiaalia kasvomaskin kautta. Grafeenioksidia hengitettiin osallistujien toimesta kahden tunnin ajan erityisesti suunnitellussa mobiilissa altistuskompostissa. Vapaaehtoiset palasivat myöhemmin toistettuihin hallittuihin altistuksiin muutaman viikon kuluttua. Tällä kertaa tutkimus keskittyi kokeilemaan erilaisia grafeenioksidipartikkeleita eri kokoisina.

Joten 14 nuorta, terveellistä vapaaehtoista hengitti sekä pieniä että erittäin pieniä GO-nanosheetteja pitoisuudella 200 μg m−3 (mikrogrammaa kuutiometrissä ilmaa) toistuvissa käynneissä. Todellinen s-GO:n pitoisuus oli 214 ± 23 μg m−3 ja us-GO:n 224 ± 17 μg m−3, jotka pidettiin tasaisina koko kahden tunnin ajan.

Hyödyntäen nanoteknologiaa parhaalla mahdollisella tavalla

Tutkimus mittasi materiaalin vaikutuksia keuhkotoimintaan, veren hyytymiseen, verenpaineeseen ja veriin liittyvään tulehdukseen ennen altistusta ja kahden tunnin välein.

Tutkijat eivät löytäneet haitallisia vaikutuksia materiaalilla verenpaineeseen tai keuhkotoimintaan. Se ei aiheuttanut epäsuotuisia reaktioita tarkastelluissa muissa biologisissa parametreissa. Kuitenkin he havaitsivat, että grafeenioksidin hengittäminen saattaa vaikuttaa veren hyytymiseen, mutta korostivat, että vaikutus oli hyvin pieni.

Korkeasti rikastetun veriproteomiikan analyysi puolestaan osoitti hyvin vähän eroja plasma-proteiineissa, kun taas trombin muodostuminen oli vain hieman lisääntynyt eks vivo -mallissa, jossa tutkittiin valtimon vauriota.

Tämä tutkimus, professori Kostas Kostarelosin (Manchesterin yliopisto) ja Katalonian nanotieteen ja nanoteknologian instituutin (ICN2) Barcelonassa mukaan, osoittaa, että puhtaita grafeenioksidin muotoja voidaan kehittää edelleen minimoiden riskin ihmisten terveydelle. Hän totesi:

“Meillä on kestänyt yli kymmenen vuotta kehittää tietämys tämän tutkimuksen toteuttamiseksi materiaalien ja biologisen tieteen näkökulmasta, mutta myös kliinisen kapasiteetin osalta, jotta voimme suorittaa tällaiset kontrolloidut tutkimukset turvallisesti.”

Tutkimus toteutettiin Edinburghin ja Manchesterin yliopistojen tutkijoiden toimesta, ja sitä rahoitti UKRI EPSRC sekä British Heart Foundation. Tutkijoiden mukaan lisätyötä tarvitaan selvittämään, aiheuttaisiko korkeammat annokset eri grafeenimuodoista erilaisia terveysvaikutuksia. Tutkijaryhmä on myös kiinnostunut tutkimaan, aiheuttaisiko pitkäaikainen grafeenioksidin altistuminen lisäriskejä terveydelle.

Vaikka nanomateriaalit kuten grafeeni tarjoavat suuria lupauksia, on varmistettava, että “ne valmistetaan turvallisella tavalla ennen kuin niitä voidaan käyttää laajemmin elämässämme,” sanoi tohtori Mark Miller (BSc, PhD), vanhempi tutkimusavustaja Edinburghin yliopiston sydän- ja verisuonitieteen keskuksessa. Grafeenin turvallisuuden tutkiminen ihmisillä auttaa meitä ymmärtämään, miten tämä ainutlaatuinen materiaali voi vaikuttaa kehoon, ja “huolellisella suunnittelulla voimme turvallisesti hyödyntää nanoteknologiaa,” hän lisäsi.

Kun tarkastellaan tutkimuksen rajoituksia, tutkijat huomauttivat, että se havaitsi muutoksia biologisissa parametreissa ainoastaan aiemman työsuorituksen perusteella, jossa tarkasteltiin dieselpäästöjen nanopartikkeleita, ja osallistujamäärä saattaa olla riittämätön havaitsemaan GO:n hengittämisen hienovaraisempia vaikutuksia.

Myös tutkijat valitsivat annoksen erityisesti estääkseen selkeät fysiologiset vaikutukset, mikä viittaa siihen, että korkeammat GO-pitoisuudet tai pidemmät altistusaikavälit saattaisivat paljastaa vaikutuksia, joita tässä tutkimuksessa ei havaittu. Lisäksi tutkimuksen jatkamattomuus yli 6 tunnin jälkeen tarkoitti, että se todennäköisesti jäi kiinni joistakin tulehdusreiteistä.

Sanottuaan näin, tutkimus osoittaa selvästi, että ultra-puhdasta ja ohutta grafeenioksidin nanosheettiä, jonka koko on nanometri, hengittäminen ei vaikuta terveisiin ihmisiin. Näin se luo perustan tutkia muiden kaksiulotteisten nanomateriaalien vaikutuksia (tasaiset, ei-pallomaiset aineet, joiden yksi ulottuvuus <100 nm) ihmisissä.

Tämä tutkimus avaa oven uusien lääkkeiden toimitusmenetelmien kehittämiselle sairauksien hoitoon. Optimoitua lääkkeenjakelujärjestelmää suunniteltaessa tavoitteena on kuljettaa terapeuttisia aineita hallittavalla tavalla minimoiden haittavaikutukset terveessä kudoksessa.

Se on ehdottomasti merkittävä askel kohti kattavaa grafeenin ja 2D-nanomateriaalien riskiarviointia, joilla on potentiaali vastata useisiin globaaleihin haasteisiin ja omaksua turvallinen suunnittelu -lähestymistapa hyödyntääkseen tämän ainutlaatuisen materiaalin todellisen potentiaalin.

Grafeenia tutkivat yritykset

Grafeenipohjaiset ratkaisut voivat hyödyttää merkittävästi monia teollisuudenaloja ja lukuisia yrityksiä, kuten Teslaa, Samsungia, Lockheed Martinia, Fordia, Intelia ja 3M:ta, muiden muassa. Tarkastellaan nyt yrityksiä, jotka tutkivat grafeenia ja kehittävät materiaaliin perustuvia ratkaisuja:

#1. Graphenea

Grafeenin johtava valmistaja, Graphenea, tarjoaa korkealaatuista grafeenia tutkimus- ja teollisuussovelluksiin. Yrityksen valikoimaan kuuluu grafeenioksidi, grafeeni-kenttävaikutus-transistori (GFET) -sirut, CVD-grafeenifilmit ja grafeenifoundry-palvelut (GFAB).

Graphenean tuotteisiin kuuluvat muun muassa Graphenea-kortti sekä mGFET-4D ja mGEFD-4P anturisovelluksiin. Yritys on Graphene Flagship -ohjelman kumppani, jota pidetään Euroopan suurimpana tutkimushankkeena koordinoiduilla ponnisteluilla ja budjetilla, jonka arvo on 1 miljardi euroa.

#2. Haydale Graphene Industries

Globaalinen teknologiayritys on erikoistunut grafeenin ja muiden nanomateriaalien käsittelyyn erilaisiin sovelluksiin. Markkina-arvolla 4,44 miljoonaa, Haydale Graphene Industries (HAYD-GB: London Stock Exchange) osakkeet käyvät kauppaa hintaan 0,45, laski 5,26 % kuluvan vuoden alusta (YTD). Yrityksellä on EPS (TTM) -0,85 ja P/E (TTM) -0,53.

Yrityksen vuosittainen nettotulos on laskenut 28,20 %:iin, mikä on 6,17 miljoonan tappio, vaikka liikevaihto on kasvanut yli 48 %:iin 4,30 miljoonaan, mikä johtui myytyjen tavaroiden kustannusten noususta suhteessa liikevaihtoon. Viime vuoden toisella puoliskolla Haydale keräsi 5 miljoonaa puntaa tilauksesta 0,5p/osake ja tarjosi vähittäissijoittajille jopa 1 miljoonan punnan tarjouksen.

Yritys on äskettäin tehnyt yhteistyön PETRONAS Venturesin kanssa, joka on Malesian öljy- ja kaasuyhtiö Petroliam Nasional Berhadin teknologian kaupallistamisyksikkö, grafeenin funktionoinnissa tuotteiden sovelluksiin. Tämä yhteistyö pyrki edistämään grafeenipohjaisten tuotteiden massatuotantoa useilla teollisuudenaloilla.

Joulukuussa 2023 Walesin hallitus myönsi yritykselle SMART-rahoitusta grafeenilla rikastettujen lämmönsiirtoveden kehittämiseksi yhteistyössä vesipohjaisten lämmönsiirtoveden valmistajan Hydratechin kanssa.

#3. IBM

Tämä teknologiagigantti on tutkinut grafeenia elektroniikassa. Noin vuosikymmeni sitten IBM rakensi grafeenipiirin, joka oli 10 000 kertaa nopeampi kuin aiemmat grafeeni-IC:t. Myöhemmin IBM hyödynsi grafeenin ainutlaatuisia ominaisuuksia kehittääkseen valmistustekniikoita, jotka mahdollistivat puolijohdekomponenttien skaalaamisen alle 7 nanometrin ominaisuuskokoihin piikiekkojen päällä.

Tämä edustaa merkittävää harppaus puolijohdeteknologiassa, työntäen miniaturisoinnin ja suorituskyvyn rajoja. IBM on investoinut paljon aikaa ja miljardeja dollareita nanoelektroniikan tulevaisuuteen, mukaan lukien grafeenin käyttöön.

Markkina-arvolla 164 miljardia dollaria yrityksen osakkeet (IBM: NYSE) käyvät kauppaa hintaan 181,20 dollaria, noussut 9,87 % YTD. IBM on raportoitu liikevaihdolla (TTM) 61,86 miljardia dollaria ja EPS (TTM) 8,03, P/E (TTM) 22,37 ja ROE (TTM) 33,36 %. Yritys maksaa myös osinkotuoton 3,70 %.

Yhteenveto

Grafeeni, äärimmäisen monipuolinen materiaali, löytää laajoja sovelluksia energia-, elektroniikka- ja rakennussektoreilla. Teknologia-alalla tämä materiaali voi täysin muuttaa tapaa, jolla vuorovaikutamme teknologian kanssa. Tämä tutkimus osoittaa lisäksi, että lääketieteellinen sektori voi käyttää tätä ainutlaatuista materiaalia turvallisesti ilman haitallisia vaikutuksia ihmisten terveyteen ja kehoon. Kuitenkin täysimittaisten grafeenin hyötyjen saavuttamiseksi tarvitaan massatuotantoa alhaisella kustannuksella, mikä on vielä saavuttamatta.

Silti ei voi kiistää, että grafeeni on “tulevaisuuden materiaali”, ja oikeutetusti. Maailman ohuin, joustavin ja vahvin materiaali edustaa todellista vallankumousta, joka voi muuttaa maailmaa.

Klikkaa tästä saadaksesi tietoa kaupallistamiseen valmiista nanoskaalaisesta grafiitista.