Pengembangan Solusi Berbasis Graphene Lebih Mungkin Karena Dampak pada Kesehatan Terlihat Minimal

Graphene, dengan potensi besarnya, merupakan terobosan signifikan dalam ilmu material. Diekstrak dari grafit, bentuk kristalin karbon, Graphene merupakan material yang sangat penting bukan elemen. Anda biasanya akan menemukannya di inti pensil.

Sebagai material paling tipis dengan ketebalan hanya satu atom, Graphene menonjol dengan ringan, elastisitas, dan kekuatannya. Ia memiliki kekuatan 200 kali lebih besar daripada baja dan ketebalan seribu kali lebih tipis daripada rambut manusia.

Material unik ini lima kali lebih ringan daripada aluminium, yang sendiri tiga kali lebih ringan daripada baja, dan memiliki beragam sifat. Di antaranya kemampuan menyerap cahaya serta konduktivitas listrik dan termal yang tinggi, membuka jalan bagi inovasi di berbagai sektor.

Dalam industri elektronik, konduktivitas tinggi Graphene secara signifikan memperpanjang umur baterai dan memperpendek waktu pengisian, meningkatkan efisiensi energi dan daya tahan perangkat sekaligus mencegah overheating. Ringannya mengatasi salah satu keterbatasan utama drone—pembuatan baterai yang berat untuk penyimpanan energi.

Fleksibilitas Graphene dan kemampuannya menyerap sedikit cahaya menjadikannya ideal untuk memproduksi layar tahan lama bagi berbagai perangkat. Sementara itu, kekuatannya menjadikannya komponen penting untuk kemajuan di sektor pencahayaan. 

Dalam konstruksi, Graphene meningkatkan isolasi bangunan dan menawarkan ketahanan terhadap kelembaban, korosi, dan api, berkontribusi pada regulasi termal yang lebih baik di rumah. Oleh karena itu, ia dapat sangat bermanfaat di sektor energi terbarukan karena akan menghasilkan lebih banyak energi daripada yang saat ini diproduksi. Sementara itu, di bidang kesehatan, ia dapat membantu menciptakan alat bantu dengar yang lebih ringan serta tulang dan otot melalui operasi bedah.

Aplikasi potensial Graphene lebih lanjut meliputi transistor, antena, chip komputer, superkapasitor, sekuesnsi DNA, filter air, dan sel surya. 

Mengingat sifat-sifat Graphene yang beragam dan potensinya untuk merevolusi begitu banyak sektor, komunitas ilmiah terus memantau Graphene. Peneliti dan perusahaan di seluruh dunia telah mempelajari serta bereksperimen dengan material ini.

Baru minggu ini, a study by MIT physicists found a “fractional quantum anomalous Hall effect” in Graphene. The Fractional quantum Hall effect is an exceedingly rare thing that, if controlled, can help build fault-tolerant quantum computers. 

Efek ini hanya terlihat beberapa kali, dan biasanya di bawah medan magnet yang sangat tinggi dan terkontrol dengan cermat. Namun kali ini, efek tersebut terlihat pada material yang tidak diharapkan oleh ilmuwan, dan bahkan tanpa adanya medan magnet. Penemuan ini memiliki implikasi signifikan bagi bidang fisika fundamental. Kemungkinan besar akan membuka jalan bagi bentuk baru komputasi kuantum yang jauh lebih tahan terhadap gangguan.

In another study, researchers revealed a novel method of synthesizing graphene oxide (GO), which is dispersible in solvents. The new method combined the acid from the Hummers method and the oxidant from the Brodie method to produce GO in a simple manner but with a small number of defects.

Namun, meskipun graphene memiliki potensi aplikasi yang luas, ia belum banyak digunakan dan masih dalam tahap eksplorasi. Volume produksi yang terbatas, biaya tinggi, dan risiko kesehatan merupakan faktor utama yang membatasi adopsi Graphene. Namun, salah satu faktor tersebut mungkin tidak seberat yang diperkirakan. 

Klik di sini untuk mengetahui apakah semikonduktor graphene benar-benar sudah ada.

Uji Coba Manusia Menunjukkan Menghirup Graphene Aman

Graphene pertama kali diisolasi oleh ilmuwan Andre Geim dan Konstantin Novoselov pada tahun 2004, yang kemudian memberi mereka Penghargaan Nobel Fisika pada 2010. Dipuji sebagai ‘material ajaib,’ graphene telah dieksplorasi di seluruh dunia, termasuk dalam bidang kesehatan, melalui perangkat dan sensor yang dapat ditanam.

Dalam bidang kesehatan, material ini juga sedang diteliti terkait terapi target terhadap kondisi seperti kanker. Namun, tentu saja, sebelum material dapat digunakan untuk tujuan medis, harus diuji untuk potensi efek samping. Dan sebuah study menunjukkan bahwa jenis khusus Graphene dapat dihirup tanpa risiko akut bagi kesehatan manusia. 

Uji klinis ini, yang melibatkan paparan terkontrol pertama, menggunakan bentuk material yang tipis, ultra-murni, dan kompatibel dengan air — graphene oxide (GO). 

Graphene adalah nanomaterial 2D dengan satu atau beberapa lapisan kisi karbon, dan bentuk teroksidasinya telah menunjukkan potensi dalam ilmu biomedis berkat kompatibilitasnya dengan sel darah, sifat hidrofilik, area permukaan tinggi untuk fungsionalisasi kimia, serta stabilitas koloidal yang wajar dalam larutan biologis yang relevan. Material graphene oxide berlapis, khususnya, dipelajari untuk aplikasi membran. Namun, data toksikologi untuk graphene oxide masih terbatas dan tidak konsisten.

Meskipun dikembangkan untuk aplikasi luas, seperti yang dicatat dalam studi, nanomaterial graphene oxide terkait dengan potensi kekhawatiran keamanan bagi kesehatan manusia. Oleh karena itu, tim melakukan uji coba double-blind, randomized controlled trial untuk mengetahui bagaimana menghirup material ini memengaruhi fungsi akut paru-paru dan pembuluh darah kita.

Material GO yang sangat murni, tipis, serta bebas logam dan endotoksin disintesis menggunakan metode Hummers yang dimodifikasi. Nanosheet GO (nanostruktur 2D dengan ketebalan antara 1 hingga 100 nm) memiliki ukuran yang sangat terdefinisi dan tidak mengandung kontaminasi unsur. Studi ini menggunakan dua dimensi lateral: GO kecil (s-GO) dan GO ultra-kecil (us-GO). 

Lebih dari selusin relawan berpartisipasi dalam studi, di mana mereka mengalami paparan yang sangat terkontrol, melibatkan pernapasan material melalui masker wajah. Graphene oxide dihirup oleh peserta selama dua jam sambil bersepeda dalam ruang paparan bergerak yang dirancang khusus. Relawan kemudian kembali untuk paparan terkontrol berulang beberapa minggu kemudian. Kali ini, penelitian difokuskan pada percobaan partikel graphene oxide dengan berbagai ukuran.

Jadi, 14 relawan muda dan sehat menghirup nanosheet GO kecil dan sangat kecil dengan konsentrasi 200 μg m−3 (mikrogram per meter kubik udara) dalam kunjungan berulang. Konsentrasi aktual s-GO adalah 214 ± 23 μg m−3, dan us-GO adalah 224 ± 17 μg m−3, yang dipertahankan pada tingkat konstan selama dua jam.

Maksimalkan Nanoteknologi

Studi mengukur efek material pada fungsi paru, pembekuan darah, tekanan darah, dan peradangan dalam darah sebelum paparan dan pada interval dua jam.

Peneliti menemukan tidak ada efek merugikan material pada tekanan darah atau fungsi paru. Tidak ada reaksi tidak menguntungkan pada parameter biologis lain yang diperiksa. Namun, mereka memperhatikan bahwa inhalasi graphene oxide dapat memengaruhi cara darah membeku, meskipun efeknya sangat kecil.

Sedangkan analisis proteomik darah yang sangat diperkaya menunjukkan sangat sedikit protein plasma yang berbeda, sementara pembentukan trombus hanya sedikit meningkat dalam model eks vivo cedera arteri.

Studi ini, menurut Profesor Kostas Kostarelos, Universitas Manchester, dan Institut Katalonia untuk Nanoscience dan Nanoteknologi (ICN2) di Barcelona, menunjukkan bahwa bentuk murni graphene oxide dapat dikembangkan lebih lanjut sambil meminimalkan risiko bagi kesehatan manusia. Ia mencatat:

“Kami telah menghabiskan lebih dari sepuluh tahun untuk mengembangkan pengetahuan guna melakukan penelitian ini, baik dari sudut pandang ilmu material dan biologi, maupun dari kapasitas klinis untuk melaksanakan studi terkontrol seperti ini secara aman.”

Studi ini dilakukan oleh peneliti dari Universitas Edinburgh dan Manchester serta didanai oleh UKRI EPSRC dan British Heart Foundation. Menurut para peneliti, pekerjaan lanjutan diperlukan untuk menentukan apakah dosis lebih tinggi dari berbagai bentuk graphene akan memiliki efek berbeda pada kesehatan. Tim peneliti juga tertarik mengeksplorasi apakah paparan berkelanjutan terhadap graphene oxide akan menimbulkan risiko kesehatan tambahan.

Sementara nanomaterial seperti Graphene memiliki harapan besar, harus dipastikan bahwa “mereka diproduksi dengan cara yang aman sebelum dapat digunakan secara lebih luas dalam kehidupan kita,” kata Dr. Mark Miller (BSc, PhD), peneliti senior di Centre for Cardiovascular Science, Universitas Edinburgh. Meneliti keamanan Graphene pada manusia akan membantu kita memahami bagaimana material unik ini dapat memengaruhi tubuh, dan “dengan desain yang hati-hati, kita dapat memanfaatkan nanoteknologi secara aman,” tambahnya.

Mengenai keterbatasan studi, peneliti mencatat bahwa mereka hanya mendeteksi perubahan pada parameter biologis berdasarkan pekerjaan sebelumnya dengan nanopartikel asap diesel, dan jumlah peserta mungkin tidak cukup untuk mendeteksi efek inhalasi GO yang lebih halus.

Selain itu, peneliti memilih dosis secara khusus untuk mencegah efek fisiologis yang jelas, menyarankan bahwa konsentrasi GO yang lebih tinggi atau durasi paparan yang lebih lama mungkin mengungkap efek yang tidak terlihat dalam studi ini. Ketidakmampuan memperpanjang studi lebih dari 6 jam juga berarti kemungkinan melewatkan beberapa jalur inflamasi.

Meskipun demikian, studi ini jelas menunjukkan bahwa menghirup nanosheet graphene oxide yang ultra-murni dan tipis, berukuran nanometer, tidak memengaruhi manusia sehat. Dengan cara ini, ia meletakkan dasar untuk menyelidiki efek nanomaterial dua dimensi lainnya (zat datar yang tidak berbentuk bola dengan satu dimensi <100 nm) pada manusia.

Studi ini membuka pintu untuk mengembangkan metode baru dalam pengantaran obat untuk mengobati penyakit. Saat merancang sistem pengantaran obat yang optimal, tujuan utamanya adalah membawa agen terapeutik secara terkendali sambil meminimalkan efek samping pada jaringan sehat.

Ini tentu merupakan langkah besar menuju penilaian risiko komprehensif terhadap Graphene dan nanomaterial 2D yang berpotensi menangani berbagai tantangan global, untuk mengadopsi pendekatan safe-by-design dalam memanfaatkan potensi sejati material unik ini.

Perusahaan yang Menjelajahi Graphene

Solusi berbasis Graphene dapat sangat menguntungkan banyak industri dan ratusan perusahaan seperti Tesla (TSLA ), Samsung, Lockheed Martin (LMT ), Ford, Intel (INTC ), dan 3M, di antara lainnya. Sekarang, mari kita lihat perusahaan-perusahaan yang sedang menjelajahi Graphene dan mengembangkan solusi berbasis material ini:

#1. Graphenea

Produsen terkemuka material berbasis graphene, Graphenea menyediakan Graphene berkualitas tinggi untuk penelitian dan aplikasi industri. Portofolio perusahaan mencakup Graphene Oxide, chip Graphene Field-Effect-Transistor (GFET), film CVD Graphene, dan Layanan Foundry Graphene (GFAB). 

Daftar produk Graphenea antara lain kartu Graphenea dan mGFET-4D serta mGEFD-4P untuk aplikasi sensor. Perusahaan ini merupakan mitra Graphene Flagship, yang disebut sebagai inisiatif riset terbesar di Eropa dengan anggaran €1 miliar.

#2. Haydale Graphene Industries

Perusahaan teknologi global ini mengkhususkan diri dalam pemrosesan Graphene, serta nanomaterial lainnya, untuk berbagai aplikasi. Dengan kapitalisasi pasar 4,44 juta, saham Haydale Graphene Industries (HAYD-GB: London Stock Exchange) diperdagangkan pada 0,45, turun 5,26% tahun ini (YTD). Perusahaan memiliki EPS (TTM) sebesar -0,85 dan P/E (TTM) sebesar -0,53.

Pendapatan bersih tahunan perusahaan telah turun 28,20% menjadi kerugian 6,17 juta meskipun pendapatan meningkat lebih dari 48% menjadi 4,30 juta, yang disebabkan oleh peningkatan biaya barang terjual sebagai persentase penjualan. Pada paruh kedua tahun lalu, Haydale mengumpulkan £5 juta dari penawaran berlangganan pada 0,5p/saham dan memberikan tawaran ritel hingga £1 juta untuk investor individu.

Perusahaan baru-baru ini menjalin kemitraan dengan PETRONAS Ventures, unit komersialisasi teknologi dari perusahaan minyak dan gas Malaysia Petroliam Nasional Berhad, untuk memfungsikan Graphene dalam aplikasi produk. Kolaborasi ini bertujuan mempercepat produksi massal produk berbasis graphene di berbagai industri.

Pada Desember 2023, Pemerintah Welsh memberikan pendanaan SMART kepada perusahaan untuk mengembangkan fluida transfer panas yang diperkaya graphene bekerja sama dengan produsen fluida transfer panas berbasis air Hydratech.

#3. IBM

Raksasa teknologi ini telah mengeksplorasi Graphene dalam elektronik. Sekitar satu dekade lalu, IBM membangun chip graphene yang 10.000 kali lebih cepat daripada IC graphene sebelumnya. Kemudian, bertahun-tahun kemudian, IBM memanfaatkan sifat unik graphene untuk mengembangkan teknik fabrikasi yang memungkinkan skala perangkat semikonduktor dengan ukuran fitur lebih kecil dari 7 nanometer pada wafer silikon.

Ini merupakan lompatan signifikan dalam teknologi semikonduktor, mendorong batas miniaturisasi dan kinerja. IBM telah menginvestasikan banyak waktu dan miliaran dolar untuk masa depan nanoelektronik, termasuk penggunaan Graphene.

Dengan kapitalisasi pasar $164 miliar, saham perusahaan (IBM: NYSE) diperdagangkan pada $181,20, naik 9,87% YTD. IBM mencatat pendapatan (TTM) $61,86 miliar dan EPS (TTM) 8,03, P/E (TTM) 22,37, serta ROE (TTM) 33,36%. Perusahaan juga membayar dividen dengan hasil 3,70%.

Kesimpulan

Graphene, material yang sangat beragam, menemukan aplikasi luas di sektor energi, elektronik, dan konstruksi. Di sektor teknologi, material ini dapat sepenuhnya mengubah cara kita berinteraksi dengan teknologi. Studi ini lebih lanjut menunjukkan bahwa sektor medis dapat menggunakan material unik ini secara aman tanpa efek merugikan pada kesehatan manusia dan tubuh. Namun, untuk mencapai manfaat penuh Graphene diperlukan produksi skala massal dengan biaya rendah, sebuah tonggak yang belum tercapai.

Namun, tidak dapat dipungkiri bahwa Graphene adalah “material masa depan,” dan memang layak disebut demikian. Sebagai material paling tipis, paling fleksibel, dan terkuat di dunia, ia menandai revolusi nyata yang dapat mengubah dunia.

Klik di sini untuk mempelajari tentang grafit nanoscale yang siap untuk komersialisasi.