Biotechnologie
Développement de solutions à base de graphène plus probable alors que les effets sur la santé semblent minimes
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Le graphène, avec son potentiel énorme, représente une avancée majeure en science des matériaux. Extrait du graphite, une forme cristalline du carbone, le graphène se présente comme un matériau remarquablement important plutôt que comme un élément. Vous le trouverez couramment dans la mine d’un crayon.
Étant le matériau le plus fin avec seulement un atome d’épaisseur, le graphène se distingue par sa légèreté, son élasticité et sa robustesse. Il possède une résistance 200 fois supérieure à celle de l’acier et une épaisseur mille fois moindre que celle d’un cheveu humain.
Ce matériau unique est cinq fois plus léger que l’aluminium, qui est lui-même trois fois plus léger que l’acier, et possède des propriétés diverses. Celles-ci incluent la capacité d’absorber la lumière ainsi qu’une haute conductivité électrique et thermique, ouvrant la voie à des innovations dans de nombreux secteurs.
Dans l’industrie électronique, la haute conductivité du graphène prolonge considérablement la durée de vie des batteries et réduit le temps de charge, améliorant l’efficacité énergétique et la durabilité des appareils tout en évitant la surchauffe. Sa légèreté surmonte l’une des limites majeures des drones — la fabrication lourde de batteries pour le stockage d’énergie.
La flexibilité du graphène et sa capacité à absorber peu de lumière le rendent idéal pour la fabrication d’écrans durables pour divers appareils. Par ailleurs, sa résistance en fait un composant crucial pour les avancées dans le secteur de l’éclairage.
Dans la construction, le graphène améliore l’isolation des bâtiments et offre une résistance à l’humidité, à la corrosion et au feu, contribuant à une meilleure régulation thermique des habitations. Ainsi, il peut être très bénéfique dans le secteur des énergies renouvelables car il générera plus d’énergie que ce qui est actuellement produit. Par ailleurs, dans le domaine de la santé, il peut aider à créer des aides auditives plus légères ainsi que des os et des muscles grâce à des interventions chirurgicales.
Les applications possibles du graphène incluent également les transistors, les antennes, les puces informatiques, les supercondensateurs, le séquençage d’ADN, les filtres à eau et les cellules solaires.
Compte tenu des propriétés variées du graphène et de son potentiel à révolutionner tant de secteurs différents, la communauté scientifique surveille de près le graphène. Des chercheurs et des entreprises du monde entier étudient et expérimentent ce matériau.
Cette semaine, a étude menée par des physiciens du MIT a découvert un « effet Hall quantique anomalie fractionnaire » dans le graphène. L’effet Hall quantique fractionnaire est un phénomène extrêmement rare qui, s’il est maîtrisé, peut aider à construire des ordinateurs quantiques tolérants aux fautes.
Cet effet n’est observé que quelques fois, et cela principalement sous des champs magnétiques très intenses et soigneusement maintenus. Mais cette fois, l’effet a été observé dans un matériau que les scientifiques ne s’attendaient pas à voir et, de surcroît, en l’absence de champ magnétique. Cette découverte a des implications importantes pour le domaine de la physique fondamentale. Elle devrait ouvrir la voie à une nouvelle forme d’informatique quantique nettement plus résistante aux perturbations.
Dans une autre étude, des chercheurs ont révélé une nouvelle méthode de synthèse de l’oxyde de graphène (GO), qui est dispersible dans les solvants. La nouvelle méthode combine l’acide de la méthode de Hummers et l’oxydant de la méthode de Brodie pour produire du GO de manière simple mais avec un petit nombre de défauts.
Cependant, bien que le graphène possède un potentiel d’application immense, il n’est pas encore largement utilisé et fait encore l’objet d’explorations. Le volume de production limité, le coût élevé et les risques pour la santé sont les principaux facteurs freinant l’adoption du graphène. Cependant, l’un de ces facteurs pourrait ne pas être aussi limitatif.
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Essai humain montre que l’inhalation de graphène est sûre
Le graphène a été isolé pour la première fois par les scientifiques Andre Geim et Konstantin Novoselov en 2004, ce qui leur a valu le prix Nobel de physique en 2010. Loué comme un « matériau miracle », le graphène a été étudié à travers le monde, y compris dans le domaine de la santé, via des dispositifs implantables et des capteurs.
Dans le domaine de la santé, le matériau est également étudié pour des thérapies ciblées contre des affections telles que le cancer. Mais, bien sûr, avant que le matériau puisse être utilisé à des fins médicales, il doit être testé pour d’éventuels effets indésirables. Et une récente étude suggère qu’un type spécifique de graphène peut être inhalé sans aucun risque aigu pour la santé humaine.
Cet essai clinique, qui a impliqué la première exposition contrôlée, a utilisé une forme fine, ultra-pure et compatible avec l’eau du matériau — l’oxyde de graphène (GO).
Le graphène est un nanomatériau 2D constitué d’une ou de quelques couches de réseau de carbone, et sa forme oxydée a montré un fort potentiel en sciences biomédicales grâce à sa compatibilité avec les cellules sanguines, son hydrophilie, sa grande surface pour la fonctionnalisation chimique et une stabilité colloïdale raisonnable dans des solutions biologiquement pertinentes. Les matériaux d’oxyde de graphène en couches, en particulier, sont étudiés pour des applications de membranes. Cependant, les données toxicologiques disponibles sur l’oxyde de graphène sont limitées et incohérentes.
Bien qu’ils soient développés pour des applications larges, comme le souligne l’étude, les nanomatériaux d’oxyde de graphène sont associés à d’éventuels problèmes de sécurité pour la santé humaine. En conséquence, l’équipe a mené un essai contrôlé randomisé en double aveugle afin de déterminer comment l’inhalation de ce matériau influence les fonctions aiguës de nos poumons et de nos vaisseaux sanguins.
Les matériaux GO hautement purifiés, fins et exempts de métaux et d’endotoxines ont été synthétisés à l’aide d’une méthode Hummers modifiée. Les nanosheets de GO (nanostructures 2D d’épaisseur comprise entre 1 et 100 nm) étaient de taille strictement définie et ne présentaient aucune contamination élémentaire. L’étude a utilisé deux dimensions latérales : le petit GO (s‑GO) et le GO ultra‑petit (us‑GO).
Plus d’une douzaine de volontaires ont participé à l’étude, où ils ont subi une exposition soigneusement contrôlée, consistant à respirer le matériau à travers un masque facial. L’oxyde de graphène a été inhalé par les participants pendant deux heures tout en pédalant dans une chambre d’exposition mobile spécialement conçue. Les volontaires sont ensuite revenus pour des expositions contrôlées répétées quelques semaines plus tard. Cette fois, la recherche s’est concentrée sur l’expérimentation avec des particules d’oxyde de graphène de différentes tailles.
Ainsi, les 14 jeunes volontaires en bonne santé ont inhalé à la fois des nanosheets de GO petits et extrêmement petits avec une concentration de 200 μg m⁻³ (microgrammes par mètre cube d’air) lors de visites répétées. La concentration réelle de s‑GO était de 214 ± 23 μg m⁻³, et celle de us‑GO de 224 ± 17 μg m⁻³, maintenues à un niveau constant pendant les deux heures.
Tirer le meilleur parti de la nanotechnologie
L’étude a mesuré les effets du matériau sur la fonction pulmonaire, la coagulation sanguine, la tension artérielle et l’inflammation sanguine avant l’exposition et à intervalles de deux heures.
Les chercheurs n’ont trouvé aucun effet indésirable du matériau sur la tension artérielle ou la fonction pulmonaire. Il n’a présenté aucune réaction défavorable sur les autres paramètres biologiques étudiés. Cependant, ils ont remarqué que l’inhalation d’oxyde de graphène peut influencer la coagulation sanguine, mais ont souligné que l’effet était très faible.
Quant à l’analyse de la protéomique sanguine hautement enrichie, elle a montré très peu de protéines plasmatiques différentielles, tandis que la formation de thrombus n’était que légèrement augmentée dans un modèle ex vivo de lésion artérielle.
Cette étude, selon le professeur Kostas Kostarelos, de l’Université de Manchester, et l’Institut catalan de nanosciences et nanotechnologies (ICN2) à Barcelone, démontre que les formes pures d’oxyde de graphène peuvent être développées davantage tout en minimisant le risque pour la santé humaine. Il a noté :
“Il nous a fallu plus de dix ans pour développer les connaissances nécessaires à la réalisation de cette recherche, du point de vue des sciences des matériaux et biologiques, mais aussi de la capacité clinique à mener de telles études contrôlées en toute sécurité.”
L’étude a été menée par des chercheurs des universités d’Édimbourg et de Manchester et financée par le UKRI EPSRC et la British Heart Foundation. Selon les chercheurs, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si des doses plus élevées de différentes formes de graphène auraient un effet différent sur la santé. L’équipe de chercheurs s’intéresse également à explorer si une exposition prolongée à l’oxyde de graphène entraînerait des risques sanitaires supplémentaires.
Bien que les nanomatériaux comme le graphène offrent de grandes promesses, il faut s’assurer qu’« ils sont fabriqués de manière sûre avant de pouvoir être utilisés plus largement dans nos vies », a déclaré le Dr Mark Miller (BSc, PhD), chercheur principal au Centre for Cardiovascular Science de l’Université d’Édimbourg. Explorer la sécurité du graphène chez l’homme nous aidera à comprendre comment ce matériau unique pourrait affecter le corps, et « avec une conception soigneuse, nous pouvons exploiter la nanotechnologie en toute sécurité », a-t-il ajouté.
En ce qui concerne les limites de l’étude, les chercheurs ont noté qu’elle n’a détecté des changements dans les paramètres biologiques que sur la base de leurs travaux antérieurs sur les nanoparticules d’échappement diesel, et que le nombre de participants pourrait être insuffisant pour détecter les effets plus subtils de l’inhalation de GO.
De plus, les chercheurs ont choisi le dosage spécifiquement pour éviter des effets physiologiques évidents, suggérant que des concentrations plus élevées de GO ou des durées d’exposition plus longues pourraient révéler des effets non observés dans cette étude. En outre, l’impossibilité de prolonger l’étude au-delà de 6 heures a probablement entraîné la perte de certaines voies inflammatoires.
Cela dit, l’étude montre clairement que l’inhalation des nanosheets d’oxyde de graphène ultra-purifiés et fins, de taille nanométrique, n’affecte pas les humains en bonne santé. Ainsi, elle pose les bases pour étudier les effets d’autres nanomatériaux bidimensionnels (substances plates, non sphériques avec une dimension <100 nm) chez l’homme.
Cette étude ouvre la voie au développement de nouvelles méthodes d’administration de médicaments pour traiter les maladies. Lors de la conception d’un système de délivrance de médicaments optimisé, l’objectif est de transporter les agents thérapeutiques de manière contrôlée tout en minimisant les effets secondaires sur les tissus sains.
C’est certainement une avancée majeure vers une évaluation complète des risques du graphène et des nanomatériaux 2D qui ont le potentiel de répondre à de multiples défis mondiaux, afin d’adopter une approche de conception sûre pour exploiter le véritable potentiel de ce matériau unique.
Entreprises explorant le graphène
Les solutions à base de graphène peuvent grandement bénéficier à de nombreuses industries et à de nombreuses entreprises telles que Tesla (TSLA ), Samsung, Lockheed Martin (LMT ), Ford, Intel (INTC ) et 3M, entre autres. Maintenant, examinons les entreprises qui explorent le graphène et développent des solutions basées sur ce matériau :
#1. Graphenea
Le principal fabricant de matériaux à base de graphène, Graphenea fournit du graphène de haute qualité pour la recherche et les applications industrielles. Le portefeuille de l’entreprise comprend l’oxyde de graphène, les puces de transistors à effet de champ en graphène (GFET), les films de graphène CVD et les services de fonderie de graphène (GFAB).
La liste des produits de Graphenea comprend quant à elle une carte Graphenea ainsi que les mGFET‑4D et mGEFD‑4P pour les applications de détection. L’entreprise est partenaire du Graphene Flagship, présenté comme la plus grande initiative de recherche en Europe pour des efforts coordonnés avec un budget d’un milliard d’euros.
#2. Haydale Graphene Industries
L’entreprise technologique mondiale se spécialise dans le traitement du graphène, parmi d’autres nanomatériaux, pour diverses applications. Avec une capitalisation boursière de 4,44 millions, les actions de Haydale Graphene Industries (HAYD‑GB : London Stock Exchange) se négocient à 0,45, en baisse de 5,26 % depuis le début de l’année (YTD). L’entreprise affiche un BPA (TTM) de -0,85 et un PER (TTM) de -0,53.
Le revenu net d’une année sur l’autre a chuté de 28,20 % pour atteindre une perte de 6,17 Mln malgré une hausse de plus de 48 % du chiffre d’affaires à 4,30 Mln, due à une augmentation du coût des marchandises vendues en pourcentage des ventes. Au second semestre de l’année dernière, Haydale a levé 5 M£ grâce à une souscription à 0,5 pence par action et a proposé une offre de détail allant jusqu’à 1 M£ pour les investisseurs individuels.
L’entreprise s’est récemment associée à PETRONAS Ventures, la branche de commercialisation technologique de la société malaisienne de pétrole et de gaz Petroliam Nasional Berhad, pour fonctionnaliser le graphène à des fins d’applications produit. Cette collaboration visait à faire progresser la production de masse de produits à base de graphène dans de nombreuses industries.
En déc. 2023, le gouvernement gallois a accordé à l’entreprise un financement SMART pour développer des fluides de transfert de chaleur infusés de graphène en partenariat avec le fabricant de fluides de transfert de chaleur à base d’eau Hydratech.
#3. IBM
Ce géant technologique explore le graphène dans l’électronique. Il y a environ une décennie, IBM a créé une puce en graphène qui était 10 000 fois plus rapide que les circuits intégrés en graphène précédents. Puis, plusieurs années plus tard, IBM a exploité les propriétés uniques du graphène pour développer des techniques de fabrication permettant de réduire la taille des dispositifs semi-conducteurs à moins de 7 nanomètres sur des plaquettes de silicium.
Cela représente un bond significatif dans la technologie des semi-conducteurs, repoussant les limites de la miniaturisation et des performances. IBM investit beaucoup de temps et des milliards de dollars dans l’avenir de la nanoélectronique, y compris l’utilisation du graphène.
IBM Graphique du prix
Avec une capitalisation boursière de 164 milliards de dollars, les actions de l’entreprise (IBM : NYSE) se négocient à 181,20 $, en hausse de 9,87 % depuis le début de l’année. IBM a enregistré un chiffre d’affaires (TTM) de 61,86 milliards de dollars et un BPA (TTM) de 8,03, un PER (TTM) de 22,37 et un ROE (TTM) de 33,36 %. L’entreprise verse également un rendement de dividende de 3,70 %.
Conclusion
Le graphène, matériau extrêmement diversifié, trouve de vastes applications dans les secteurs de l’énergie, de l’électronique et de la construction. Dans le secteur technologique, ce matériau peut complètement changer notre façon d’interagir avec la technologie. Cette étude montre en outre que le secteur médical peut utiliser ce matériau unique en toute sécurité sans aucun effet néfaste sur la santé humaine et le corps. Cependant, réaliser les pleins bénéfices du graphène nécessite une production à grande échelle à faible coût, un jalon qui n’a pas encore été atteint.
Néanmoins, on ne peut pas nier que le graphène est le « matériau du futur », et à juste titre. En étant le matériau le plus fin, le plus flexible et le plus résistant du monde, il annonce une véritable révolution capable de changer le monde.
