Sviluppo di Soluzioni a Base di Grafene Più Probabile Man mano che gli Effetti sulla Salute Si Dimostrano Minimi

Il grafene, con il suo enorme potenziale, rappresenta una svolta significativa nella scienza dei materiali. Estratto dalla grafite, una forma cristallina di carbonio, il grafene si presenta come un materiale notevolmente importante piuttosto che un elemento. Lo troverai comunemente nella mina di una matita.

Essendo il materiale più sottile, spesso di un solo atomo, il grafene si distingue per leggerezza, elasticità e resistenza. Vanta una resistenza 200 volte superiore a quella dell’acciaio e uno spessore mille volte inferiore a quello dei capelli umani.

Questo materiale unico è cinque volte più leggero dell’alluminio, che a sua volta è tre volte più leggero dell’acciaio, e possiede proprietà diverse. Tra queste vi sono la capacità di assorbire la luce e un’elevata conduttività elettrica e termica, aprendo la strada a innovazioni in vari settori.

Nel settore dell’elettronica, l’alta conduttività del grafene estende significativamente la durata utile delle batterie e riduce i tempi di ricarica, migliorando l’efficienza energetica e la durabilità dei dispositivi, prevenendo il surriscaldamento. La sua leggerezza supera una delle limitazioni importanti dei droni: la pesante produzione di batterie per l’accumulo di energia.

La flessibilità del grafene e la sua capacità di assorbire poca luce lo rendono ideale per la produzione di schermi durevoli per vari dispositivi. Nel frattempo, la sua resistenza lo rende un componente cruciale per i progressi nel settore dell’illuminazione. 

Nel settore delle costruzioni, il grafene migliora l’isolamento degli edifici e offre resistenza all’umidità, alla corrosione e al fuoco, contribuendo a una migliore regolazione termica nelle abitazioni. Pertanto, può essere molto vantaggioso nel settore delle energie rinnovabili, poiché genererà più energia di quella attualmente prodotta. Nel frattempo, nella sanità, può aiutare a creare apparecchi acustici più leggeri così come ossa e muscoli attraverso interventi chirurgici.

Le possibili applicazioni del grafene includono inoltre transistor, antenne, chip per computer, supercondensatori, sequenziamento del DNA, filtri per l’acqua e celle solari. 

Considerate le diverse proprietà del grafene e il suo potenziale di rivoluzionare numerosi settori, la comunità scientifica ha tenuto sotto stretta osservazione il grafene. Ricercatori e aziende di tutto il mondo hanno studiato e sperimentato questo materiale.

uno studio di fisici del MIT ha scoperto un “effetto Hall anomalo quantistico frazionario” nel grafene. L’effetto Hall quantistico frazionario è un fenomeno estremamente raro che, se controllato, può contribuire alla costruzione di computer quantistici tolleranti ai guasti.

Questo effetto è stato osservato solo poche volte, e soprattutto sotto campi magnetici molto intensi e accuratamente mantenuti. Ma questa volta, l’effetto è stato visto in un materiale che gli scienziati non si aspettavano e, inoltre, in assenza di campo magnetico. Questa scoperta ha importanti implicazioni per il campo della fisica fondamentale. Probabilmente aprirà la strada a una nuova forma di calcolo quantistico sostanzialmente più resistente alle perturbazioni.

In un altro studio, i ricercatori hanno rivelato un nuovo metodo per sintetizzare l’ossido di grafene (GO), che è dispersibile nei solventi. Il nuovo metodo combina l’acido del metodo di Hummers e l’ossidante del metodo di Brodie per produrre GO in modo semplice ma con un numero ridotto di difetti.

Tuttavia, sebbene il grafene abbia un enorme potenziale di applicazione, non è ancora ampiamente utilizzato ed è ancora in fase di esplorazione. Volume di produzione limitato, alto costo e rischi per la salute sono i principali fattori che limitano l’adozione del grafene. Tuttavia, uno di questi fattori potrebbe non essere così limitante.

Clicca qui per scoprire se i semiconduttori al grafene sono davvero disponibili.

Studio Umano Dimostra che l’Inalazione di Grafene è Sicura

Il grafene è stato isolato per la prima volta dagli scienziati Andre Geim e Konstantin Novoselov nel 2004, per il quale hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 2010. Celebrato come un ‘materiale miracoloso’, il grafene è stato studiato in tutto il mondo, anche nel settore sanitario, tramite dispositivi impiantabili e sensori.

Nel settore sanitario, il materiale è anche oggetto di indagini riguardo a terapie mirate contro condizioni come il cancro. Ma, naturalmente, prima che il materiale possa essere usato a scopi medici, deve essere testato per eventuali effetti avversi. E un recente studio suggerisce che un tipo specifico di grafene può essere inalato senza alcun rischio acuto per la salute umana.

Questo trial clinico, che ha coinvolto la prima esposizione controllata, ha utilizzato una forma sottile, ultra-pura e compatibile con l’acqua del materiale — ossido di grafene (GO).

Il grafene è un nanomateriale 2D costituito da uno o pochi strati di reticolo di carbonio, e la sua forma ossidata ha mostrato potenzialità nelle scienze biomediche grazie alla sua compatibilità con le cellule del sangue, idrofilicità, ampia superficie per la funzionalizzazione chimica e una ragionevole stabilità colloidale in soluzioni biologicamente rilevanti. I materiali a base di ossido di grafene stratificato, in particolare, sono studiati per applicazioni di membrana. Tuttavia, i dati tossicologici disponibili per l’ossido di grafene sono limitati e incoerenti.

Sebbene siano sviluppati per ampie applicazioni, come osservato nello studio, i nanomateriali di ossido di grafene sono associati a potenziali preoccupazioni per la sicurezza della salute umana. Di conseguenza, il team ha condotto un trial controllato, randomizzato e in doppio cieco per scoprire in che misura l’inalazione di questo materiale influisce sulle funzioni acute dei polmoni e dei vasi sanguigni.

I materiali GO altamente purificati, sottili e privi di metalli ed endotossine sono stati sintetizzati usando un metodo Hummers modificato. Le nanosfere di GO (nanostrutture 2D con spessore compreso tra 1 e 100 nm) avevano una dimensione strettamente definita e nessuna contaminazione elementare. Lo studio ha utilizzato due dimensioni laterali: GO piccolo (s-GO) e GO ultrasmall (us-GO).

Oltre una dozzina di volontari ha partecipato allo studio, dove hanno sperimentato un’esposizione attentamente controllata, che prevedeva l’inalazione del materiale tramite una maschera facciale. L’ossido di grafene è stato respirato dai partecipanti per due ore mentre pedalavano in una camera di esposizione mobile appositamente progettata. I volontari sono poi tornati per esposioni controllate ripetute alcune settimane dopo. Questa volta, la ricerca si è concentrata sulla sperimentazione di particelle di ossido di grafene di varie dimensioni.

Così, i 14 giovani volontari sani hanno inalato sia nanosfere GO piccole che estremamente piccole con una concentrazione di 200 μg m−3 (microgrammi per metro cubo d’aria) in visite ripetute. La concentrazione reale di s-GO era 214 ± 23 μg m−3, e quella di us-GO era 224 ± 17 μg m−3, mantenute a un livello costante per le due ore.

Sfruttare al Massimo la Nanotecnologia

Lo studio ha misurato gli effetti del materiale sulla funzione polmonare, sulla coagulazione del sangue, sulla pressione sanguigna e sull’infiammazione nel sangue prima dell’esposizione e a intervalli di due ore.

I ricercatori non hanno riscontrato effetti avversi del materiale sulla pressione sanguigna o sulla funzione polmonare. Non ha mostrato reazioni sfavorevoli negli altri parametri biologici esaminati. Tuttavia, hanno notato che l’inalazione di ossido di grafene può influenzare il modo in cui il sangue coagula, ma hanno sottolineato che l’effetto era molto piccolo.

Per quanto riguarda l’analisi della proteomica sanguigna altamente arricchita, ha mostrato pochissime proteine plasmatiche differenziali, mentre la formazione di trombi è stata solo leggermente aumentata in un modello ex vivo di lesione arteriosa.

Questo studio, secondo il Professor Kostas Kostarelos, Università di Manchester, e il Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) di Barcellona, dimostra che le forme pure di ossido di grafene possono essere ulteriormente sviluppate riducendo al minimo il rischio per la salute umana. Ha osservato:

“Ci sono voluti più di dieci anni per sviluppare le conoscenze necessarie a condurre questa ricerca, dal punto di vista dei materiali e della scienza biologica, ma anche dalla capacità clinica di eseguire tali studi controllati in modo sicuro.” 

Lo studio è stato condotto da ricercatori delle Università di Edimburgo e Manchester ed è stato finanziato dal UKRI EPSRC e dalla British Heart Foundation. Secondo i ricercatori, è necessario un ulteriore lavoro per capire se dosi più elevate di diverse forme di grafene avrebbero un effetto diverso sulla salute. Il team è inoltre interessato a esplorare se un’esposizione prolungata all’ossido di grafene potrebbe causare ulteriori rischi per la salute.

Mentre i nanomateriali come il grafene offrono grandi promesse, è necessario garantire che “siano prodotti in modo sicuro prima di poter essere utilizzati più ampiamente nella nostra vita,” ha dichiarato il dott. Mark Miller (BSc, PhD), senior research fellow presso il Centre for Cardiovascular Science dell’Università di Edimburgo. Esplorare la sicurezza del grafene negli esseri umani ci aiuterà a capire come questo materiale unico possa influenzare il corpo, e “con una progettazione accurata, possiamo sfruttare in sicurezza la nanotecnologia,” ha aggiunto.

Per quanto riguarda le limitazioni dello studio, i ricercatori hanno osservato che ha rilevato solo cambiamenti nei parametri biologici basandosi sul loro lavoro precedente con nanoparticelle di scarico diesel, e il numero di partecipanti potrebbe essere insufficiente per rilevare gli effetti più sottili dell’inalazione di GO.

Inoltre, i ricercatori hanno scelto la dose specificamente per prevenire effetti fisiologici evidenti, suggerendo che concentrazioni più elevate di GO o durate di esposizione più lunghe potrebbero rivelare effetti non osservati in questo studio. Inoltre, l’impossibilità di estendere lo studio oltre le 6 ore ha probabilmente impedito la cattura di alcune vie infiammatorie.

Detto ciò, lo studio dimostra chiaramente che l’inalazione delle nanosfere di ossido di grafene ultra-purificate e sottili, di dimensioni nanometriche, non influisce su individui sani. In questo modo, si gettano le basi per investigare gli effetti di altri nanomateriali bidimensionali (sostanze piatte, non sferiche con una dimensione <100 nm) negli esseri umani.

Questo studio apre la porta allo sviluppo di nuovi metodi di somministrazione di farmaci per trattare le malattie. Quando si progetta un sistema di rilascio di farmaci ottimizzato, l’obiettivo è trasportare gli agenti terapeutici in modo controllato riducendo al minimo gli effetti collaterali sui tessuti sani.

È certamente un passo importante verso una valutazione completa del rischio del grafene e dei nanomateriali 2D che hanno il potenziale di affrontare molteplici sfide globali, adottando un approccio safe-by-design per sfruttare il vero potenziale di questo materiale unico.

Aziende che Esplorano il Grafene

Le soluzioni basate sul grafene possono beneficiare notevolmente molte industrie e numerose aziende come Tesla (TSLA ), Samsung, Lockheed Martin (LMT ), Ford, Intel (INTC ) e 3M, tra le altre. Ora, diamo un’occhiata alle aziende che stanno esplorando il grafene e sviluppando soluzioni basate sul materiale:

#1. Graphenea

Il principale produttore di materiali a base di grafene, Graphenea fornisce grafene di alta qualità per applicazioni di ricerca e industriali. Il portafoglio dell’azienda comprende ossido di grafene, chip di transistor a effetto di campo di grafene (GFET), film di grafene CVD e servizi di fonderia di grafene (GFAB). 

Nel frattempo, l’elenco dei prodotti di Graphenea include una scheda Graphenea e i modelli mGFET-4D e mGEFD-4P per applicazioni di rilevamento. L’azienda è partner del Graphene Flagship, considerato la più grande iniziativa di ricerca in Europa per sforzi coordinati con un budget di €1 miliardo.

#2. Haydale Graphene Industries

L’azienda tecnologica globale si specializza nella lavorazione del grafene, tra altri nanomateriali, per varie applicazioni. Con una capitalizzazione di mercato di 4,44 milioni, le azioni di Haydale Graphene Industries (HAYD-GB: London Stock Exchange) sono scambiate a 0,45, in calo del 5,26% dall’inizio dell’anno (YTD). L’azienda ha un EPS (TTM) di -0,85 e un P/E (TTM) di -0,53. 

Il utile netto anno su anno è diminuito del 28,20% arrivando a una perdita di 6,17 milioni nonostante un aumento di oltre il 48% dei ricavi a 4,30 milioni, dovuto a un incremento del costo del venduto in percentuale sulle vendite. Nella seconda metà dell’anno scorso, Haydale ha raccolto £5 milioni da una sottoscrizione a 0,5 pence per azione e ha offerto un’opportunità al dettaglio fino a £1 milione per gli investitori individuali.

L’azienda ha recentemente stretto una partnership con PETRONAS Ventures, l’unità di commercializzazione tecnologica della compagnia malese di petrolio e gas Petroliam Nasional Berhad, per funzionalizzare il grafene per applicazioni di prodotto. Questa collaborazione è stata un tentativo di avanzare nella produzione di massa di prodotti basati sul grafene in numerosi settori.

Nel dicembre 2023, il governo gallese ha concesso all’azienda finanziamenti SMART per sviluppare fluidi di trasferimento di calore infusi con grafene in partnership con il produttore di fluidi di trasferimento di calore a base d’acqua Hydratech.

#3. IBM

Questo gigante tecnologico ha esplorato il grafene nell’elettronica. Circa un decennio fa, IBM ha realizzato un chip di grafene 10.000 volte più veloce dei precedenti circuiti integrati di grafene. Poi, molti anni dopo, IBM ha sfruttato le proprietà uniche del grafene per sviluppare tecniche di fabbricazione che hanno permesso di ridurre le dimensioni dei dispositivi semiconduttori a meno di 7 nanometri su wafer di silicio. 

Ciò rappresenta un salto significativo nella tecnologia dei semiconduttori, spingendo i confini della miniaturizzazione e delle prestazioni. IBM ha investito molto tempo e miliardi di dollari nel futuro della nanoelettronica, incluso l’uso del grafene.

Con una capitalizzazione di mercato di 164 miliardi di dollari, le azioni dell’azienda (IBM: NYSE) sono state scambiate a $181,20, in crescita del 9,87% YTD. IBM ha registrato un fatturato (TTM) di 61,86 miliardi di dollari e un EPS (TTM) di 8,03, un P/E (TTM) di 22,37 e un ROE (TTM) del 33,36%. L’azienda paga anche un rendimento da dividendo del 3,70%.

Conclusione

Il grafene, un materiale estremamente versatile, trova ampie applicazioni nei settori dell’energia, dell’elettronica e delle costruzioni. Nel settore tecnologico, questo materiale può cambiare completamente il modo in cui interagiamo con la tecnologia. Questo studio dimostra inoltre che il settore medico può utilizzare questo materiale unico in modo sicuro senza effetti dannosi sulla salute umana e sul corpo. Tuttavia, per ottenere tutti i benefici del grafene è necessaria una produzione su larga scala a basso costo, un traguardo che deve ancora essere raggiunto. 

Tuttavia, non si può negare che il grafene sia il “materiale del futuro”, e con ragione. Essendo il materiale più sottile, più flessibile e più resistente al mondo, rappresenta una vera rivoluzione che può cambiare il mondo.

Clicca qui per scoprire il grafite su scala nanometrica pronto per la commercializzazione.