健康への影響が最小限であることが判明したため、グラフェンベースのソリューションの開発が進む可能性が高まる

グラフェンはその莫大な可能性により、材料科学における重要なブレークスルーを表しています。炭素の結晶形態である黒鉛から抽出されたグラフェンは、元素というよりも極めて重要な材料です。鉛筆の芯にも一般的に使用されています。

わずか1原子層の厚さという最も薄い材料であるグラフェンは、軽さ、弾性、強靭さで際立っています。強度は鋼の200倍で、厚さは人間の髪の毛の千分の一です。

この独特の材料はアルミニウムの5倍軽く、アルミニウム自体が鋼の3倍軽く、さまざまな特性を持っています。光を吸収する能力や高い電気・熱伝導性などがあり、様々な分野でのイノベーションへの道を開きます。

エレクトロニクス業界では、グラフェンの高い導電性によりバッテリーの寿命が大幅に延び、充電時間が短縮され、エネルギー効率とデバイスの耐久性が向上し、過熱を防ぎます。その軽さは、ドローンの大きな制約であるバッテリーの重量問題を克服します。

グラフェンの柔軟性と最小限の光を吸収する能力は、さまざまなデバイス向けの耐久性のあるスクリーン製造に最適です。また、その耐性は照明分野の進歩に不可欠な要素となります。

建設分野では、グラフェンは建物の断熱性を向上させ、湿気、腐食、火災に対する耐性を提供し、住宅の熱調整を改善します。そのため、再生可能エネルギー分野でも現在の生産量を上回るエネルギーを生成できる有益な素材です。一方、医療分野では、軽量な補聴器や外科手術による骨や筋肉の再生に役立ちます。

グラフェンのさらなる応用例として、トランジスタ、アンテナ、コンピュータチップ、スーパーキャパシタ、DNAシーケンシング、浄水フィルター、太陽電池などがあります。

グラフェンの多様な特性と多くの分野を革命的に変える可能性から、科学界はグラフェンに注目し続けています。世界中の研究者や企業がこの材料の研究・実験を行っています。

a study 今週、MITの物理学者による研究で、グラフェンに「分数量子異常ホール効果」が見つかりました。分数量子ホール効果は極めて稀な現象で、制御できればフォールトトレラントな量子コンピュータの構築に役立ちます。

この効果はごく稀にしか観測されず、主に非常に高い、慎重に維持された磁場下でのみ見られます。しかし今回は、科学者が予期しなかった材料で、しかも磁場がない状態でこの効果が確認されました。この発見は基礎物理学に大きな影響を与え、はるかに外乱に強い新しい形態の量子コンピューティングへの道を開く可能性があります。

別の研究では、研究者らが溶媒に分散可能なグラフェン酸化物（GO）を合成する新しい方法を明らかにしました。この新手法は、ハマーズ法の酸とブロディ法の酸化剤を組み合わせ、シンプルながら欠陥が少ないGOを生成します。

しかし、グラフェンは広範な応用可能性を持つものの、まだ広く利用されておらず、探索段階にあります。生産量の制限、高コスト、健康リスクが採用を阻む主な要因です。ただし、これらの要因のうちの一つはそれほど制約になっていない可能性があります。

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ヒト試験でグラフェン吸入は安全であることが示される

グラフェンは2004年にアンドレ・ガイムとコンスタンティン・ノボセロフの科学者チームによって初めて単離され、2010年に物理学ノーベル賞を受賞しました。「驚異の材料」と称賛され、世界中で医療分野の埋め込みデバイスやセンサーを含む様々な応用が探求されています。

医療分野では、がんなどの疾患に対する標的治療薬としてもこの材料が研究されています。しかし、医療目的で使用する前に、潜在的な有害影響がないかテストが必要です。最近の研究では、特定のタイプのグラフェンを吸入しても人間の健康に急性リスクがないことが示唆されています。

この臨床試験は、初の統制された曝露を伴い、薄く超純粋で水と相容れない形態の材料、すなわちグラフェン酸化物（GO）を使用しました。

グラフェンは単層または数層の炭素格子からなる2次元ナノ材料で、その酸化形態は血球との相性、親水性、化学官能化のための高表面積、そして生体関連溶液中での適度なコロイド安定性により、生物医学分野で有望とされています。特に層状のグラフェン酸化物は膜応用の研究対象です。ただし、グラフェン酸化物に関する毒性データは限られており、一貫性がありません。

広範な応用を目指して開発が進められる一方で、研究ではグラフェン酸化物ナノ材料が人間の健康に対する潜在的な安全性懸念と関連していると指摘されました。そのため、チームは二重盲検・ランダム化対照試験を実施し、この材料の吸入が肺や血管の急性機能にどのように影響するかを調査しました。

高度に純粋で薄く、金属やエンドトキシンを含まないGO材料は、改良されたハマーズ法で合成されました。GOナノシート（厚さ1〜100nmの2次元ナノ構造）はサイズが厳密に定義され、元素汚染がありませんでした。研究では、2つの横方向サイズ、すなわち小型GO（s‑GO）と超小型GO（us‑GO）を使用しました。

10人以上のボランティアが本研究に参加し、フェイスマスクを通じて材料を吸入するという慎重に管理された曝露を受けました。参加者は特別に設計されたモバイル曝露チャンバー内で自転車を漕ぎながら、2時間にわたりグラフェン酸化物を吸入しました。その数週間後に再度統制された曝露を受け、今回はさまざまなサイズのグラフェン酸化物粒子を用いた実験に焦点を当てました。

したがって、14名の若く健康なボランティアは、繰り返しの訪問で小型および極小型GOナノシートを濃度200 μg/m³（空気立方メートルあたりマイクログラム）で吸入しました。s‑GOの実測濃度は214 ± 23 μg/m³、us‑GOは224 ± 17 μg/m³で、2時間の間一定に保たれました。

ナノテクノロジーを最大限に活用する

この研究は、曝露前および2時間ごとの間隔で、材料が肺機能、血液凝固、血圧、血中炎症に与える影響を測定しました。

研究者は、材料が血圧や肺機能に悪影響を及ぼさないことを確認しました。他の生物学的指標でも有害な反応は見られませんでした。ただし、グラフェン酸化物の吸入が血液凝固に影響を与える可能性があることを指摘しましたが、その効果は極めて小さいと強調しました。

高度に濃縮された血液プロテオミクス解析では、差異のある血漿タンパク質はごく少数で、動脈損傷の ex vivo モデルにおける血栓形成はわずかに増加しただけでした。

「材料科学と生物学の観点だけでなく、こうした統制された研究を安全に実施できる臨床能力を確立するまでに、私たちは10年以上かかりました。」

本研究はエディンバラ大学とマンチェスター大学の研究者によって実施され、UKRI EPSRC と英国心臓財団から資金提供を受けました。研究者らは、異なる形態のグラフェンの高用量が健康に異なる影響を及ぼすかどうかを明らかにするために、さらなる研究が必要であると述べています。また、グラフェン酸化物への長期曝露が追加の健康リスクを引き起こすかどうかも探求したいと考えています。

グラフェンのようなナノ材料は大きな可能性を秘めていますが、広く生活に取り入れる前に「安全な方法で製造されていること」を保証しなければなりません」と、エディンバラ大学心血管科学センターの上級研究員であるマーク・ミラー博士（BSc、PhD）は述べました。人間におけるグラフェンの安全性を探ることで、この独特な材料が体にどのように影響するかを理解でき、「慎重な設計により、ナノテクノロジーを安全に最大限活用できる」と付け加えました。

研究の限界については、研究者はディーゼル排出ナノ粒子に関する以前の研究に基づいて生物学的指標の変化しか検出できず、参加者数がGO吸入の微細な影響を検出するには不十分である可能性があると指摘しました。

また、研究者は明らかな生理学的影響を防ぐために投与量を意図的に選択したため、より高濃度のGOや長時間の曝露が本研究で観測されなかった効果を明らかにする可能性があると示唆しています。さらに、研究を6時間以上延長できなかったことにより、一部の炎症経路を捉え損ねた可能性があります。

以上のことから、本研究は、ナノメートルサイズの超純粋で薄いグラフェン酸化物ナノシートを吸入しても健康な人間に影響を与えないことを明確に示しています。これにより、他の二次元ナノ材料（平坦で球状でない形状、1次元が100nm未満）の人体への影響を調査する基盤が築かれました。

この研究は、疾患治療のための新しい薬物送達方法の開発への扉を開きます。最適化された薬物送達システムを設計する際の目的は、治療薬を制御可能な方法で運搬し、健康な組織への副作用を最小限に抑えることです。

これは、グラフェンおよび二次元ナノ材料の包括的なリスク評価に向けた重要な一歩であり、複数のグローバル課題に対応できるこれらの材料を、安全設計アプローチで活用し、その真の可能性を引き出すことが求められます。

グラフェンを探求する企業

グラフェンベースのソリューションは、テスラ、サムスン、ロッキード・マーティン、フォード、インテル、3M など多数の企業に大きな利益をもたらす可能性があります。ここでは、グラフェンを探求し、同素材を基にしたソリューションを開発している企業を見てみましょう。

#1. Graphenea

グラフェン系材料の主要メーカーであるGrapheneaは、研究・産業用途向けに高品質なグラフェンを提供しています。同社のポートフォリオは、グラフェン酸化物、グラフェン電界効果トランジスタ（GFET）チップ、CVDグラフェンフィルム、そしてグラフェンファウンドリサービス（GFAB）で構成されています。

Grapheneaの製品ラインには、センサー用途向けのGrapheneaカード、mGFET-4D、mGEFD-4Pが含まれます。同社は、予算10億ユーロの欧州最大規模の研究イニシアチブであるGraphene Flagshipのパートナーでもあります。

#2. Haydale Graphene Industries

このグローバルテクノロジー企業は、さまざまな用途向けにグラフェンをはじめとするナノ材料の加工を専門としています。時価総額は444万で、Haydale Graphene Industries（HAYD-GB: ロンドン証券取引所）の株価は0.45で、年初来（YTD）で5.26%下落しています。同社のEPS（TTM）は-0.85、P/E（TTM）は-0.53です。

同社の前年同期比純利益は28.20%減少し、6.17百万ポンドの赤字となりましたが、売上は48%以上増加し4.30百万ポンドに達しました。これは売上高に対する売上原価の増加が原因です。昨年後半、Haydaleは1株0.5ペンスで5百万ポンドの増資を行い、個人投資家向けに最大1百万ポンドの小売オファーを提供しました。

同社は最近、マレーシアの石油・ガス会社Petroliam Nasional Berhadの技術商業化部門であるPETRONAS Venturesと提携し、製品応用向けにグラフェンを機能化しました。この協業は、さまざまな産業におけるグラフェンベース製品の大量生産を促進する試みです。

2023年12月、ウェールズ政府は同社にSMART資金を提供し、ハイドレートテック社と提携してグラフェンを混合した熱伝導流体の開発を支援しました。

#3. IBM

このテック大手はエレクトロニクス分野でグラフェンの探索を続けています。約10年前、IBMは従来のグラフェンICより1万倍高速なグラフェンチップを開発しました。その後、数年を経て、IBMはグラフェンの独自特性を活かし、シリコンウェハ上で7nm未満の特徴サイズにスケールダウンできる半導体デバイスの製造技術を開発しました。

これは半導体技術における大きな飛躍であり、微小化と性能の限界を押し広げています。IBMはナノエレクトロニクスの未来、特にグラフェンの活用に多大な時間と数十億ドルを投資しています。

時価総額1640億ドルで、同社の株式（IBM: NYSE）は現在181.20ドルで取引され、年初来で9.87%上昇しています。IBMは過去12か月（TTM）で6186億ドルの収益を上げ、EPSは8.03、P/Eは22.37、ROEは33.36%です。また、配当利回りは3.70%です。

結論

グラフェンは極めて多様な素材であり、エネルギー、エレクトロニクス、建設分野で広範な応用が見込まれます。テック分野では、この素材がテクノロジーとの関わり方を根本的に変える可能性があります。本研究は、医療分野でもこの独特な素材を安全に使用でき、人間の健康や身体に有害な影響を与えないことを示しています。しかし、グラフェンの全ての利点を実現するには、低コストでの大量生産が必要であり、まだ達成されていない課題です。

それでも、グラフェンが「未来の素材」であることは否定できません。世界で最も薄く、柔軟で、強靭な素材であることは、世界を変える本当の革命の前触れです。

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