Ontwikkeling van op grafeen gebaseerde oplossingen waarschijnlijker nu de effecten op de gezondheid minimaal lijken

Grafeen, met zijn enorme potentieel, vormt een belangrijke doorbraak in de materiaalkunde. Het wordt gewonnen uit grafiet, een kristallijne vorm van koolstof, en is een opmerkelijk belangrijk materiaal in plaats van een element. Je vindt het vaak in de grafiet van een potlood.

Als het dunste materiaal, slechts één atoom dik, onderscheidt grafeen zich door zijn lichtheid, elasticiteit en sterkte. Het heeft een sterkte die 200 keer hoger is dan staal en een dikte die duizend keer dunner is dan menselijk haar.

Dit unieke materiaal is vijf keer lichter dan aluminium, dat zelf drie keer lichter is dan staal, en bezit diverse eigenschappen. Deze omvatten het vermogen om licht te absorberen en een hoge elektrische en thermische geleidbaarheid, wat de weg vrijmaakt voor innovaties in verschillende sectoren.

In de elektronica-industrie verlengt de hoge geleidbaarheid van grafeen de bruikbare levensduur van batterijen aanzienlijk en verkort de oplaadtijd, waardoor de energie‑efficiëntie en de duurzaamheid van apparaten worden verbeterd en oververhitting wordt voorkomen. De lichtheid overwint een van de belangrijke beperkingen van drones — het zware gewicht van batterijen voor energieopslag.

De flexibiliteit van grafeen en het vermogen om weinig licht te absorberen maken het ideaal voor het vervaardigen van duurzame schermen voor diverse apparaten. Tegelijkertijd maakt de sterkte het een cruciaal onderdeel voor vooruitgang in de verlichtingssector. 

In de bouw verbetert grafeen de isolatie van gebouwen en biedt weerstand tegen vocht, corrosie en brand, wat bijdraagt aan een betere thermische regulatie in woningen. Daarom kan het zeer nuttig zijn in de sector van hernieuwbare energie, omdat het meer energie kan genereren dan momenteel wordt geproduceerd. In de gezondheidszorg kan het helpen bij het maken van lichtere hoortoestellen en bij het vormen van botten en spieren via chirurgische ingrepen.

Mogelijke toepassingen van grafeen omvatten bovendien transistors, antennes, computerchips, supercondensatoren, DNA‑sequencing, waterfilters en zonnecellen. 

Gezien de uiteenlopende eigenschappen van grafeen en het potentieel om zoveel verschillende sectoren te revolutioneren, houdt de wetenschappelijke gemeenschap grafeen nauwlettend in de gaten. Onderzoekers en bedrijven over de hele wereld bestuderen en experimenteren met dit materiaal.

Deze week vond een studie van MIT‑fysici een “fractioneel kwantum‑anomalisch Hall‑effect” in grafeen. Het fractionele kwantum‑Hall‑effect is een uiterst zeldzaam verschijnsel dat, indien beheerst, kan bijdragen aan de bouw van fouttolerante kwantumcomputers. 

Dit effect wordt slechts enkele keren waargenomen, meestal onder zeer hoge, zorgvuldig gecontroleerde magnetische velden. Maar deze keer werd het effect gezien in een materiaal waarvan wetenschappers het niet verwachtten, en bovendien in afwezigheid van een magnetisch veld. Deze ontdekking heeft belangrijke implicaties voor de fundamentele natuurkunde. Het zal waarschijnlijk de weg vrijmaken voor een nieuwe vorm van kwantumcomputing die aanzienlijk beter bestand is tegen verstoringen.

In een andere studie onthulden onderzoekers een nieuwe methode om grafeenoxide (GO) te synthetiseren, dat oplosbaar is in oplosmiddelen. De nieuwe methode combineerde het zuur uit de Hummers‑methode en de oxidant uit de Brodie‑methode om GO op een eenvoudige manier te produceren, maar met een klein aantal defecten.

Hoewel grafeen een enorm toepassingspotentieel heeft, wordt het nog niet op grote schaal gebruikt en wordt het nog steeds onderzocht. Beperkte productievolumes, hoge kosten en gezondheidsrisico’s zijn de grootste factoren die de adoptie van grafeen beperken. Eén van deze factoren is echter mogelijk niet zo beperkend.

Klik hier om te ontdekken of grafeen‑semiconductoren echt al beschikbaar zijn.

Menselijke proef toont aan dat inademen van grafeen veilig is

Grafeen werd voor het eerst geïsoleerd door wetenschappers Andre Geim en Konstantin Novoselov in 2004, waarvoor ze in 2010 de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontvingen. Geprezen als een ‘wondermateriaal’, is grafeen wereldwijd onderzocht, ook op het gebied van de gezondheidszorg, via implanteerbare apparaten en sensoren.

In de gezondheidszorg wordt het materiaal ook onderzocht voor gerichte therapieën tegen aandoeningen zoals kanker. Maar uiteraard moet het materiaal, voordat het voor medische doeleinden kan worden gebruikt, worden getest op eventuele nadelige effecten. Een recente studie suggereert dat een specifiek type grafeen kan worden ingeademd zonder acuut risico voor de menselijke gezondheid. 

Deze klinische proef, die de eerste gecontroleerde blootstelling omvatte, maakte gebruik van een dunne, ultra‑pure watercompatibele vorm van het materiaal — grafeenoxide (GO). 

Grafeen is een 2D‑nanomateriaal bestaande uit één of enkele lagen koolstoflattice, en de geoxideerde vorm heeft potentie in de biomedische wetenschappen dankzij de compatibiliteit met bloedcellen, hydrofobiciteit, groot oppervlak voor chemische functionalisatie en redelijke colloïdale stabiliteit in biologisch relevante oplossingen. Gelaagde grafeenoxide‑materialen worden met name bestudeerd voor membrentoepassingen. Er is echter beperkte en inconsistente toxicologische data beschikbaar voor grafeenoxide.

Hoewel ze voor brede toepassingen worden ontwikkeld, worden grafeenoxide‑nanomaterialen, zoals de studie opmerkt, geassocieerd met potentiële veiligheidszorgen voor de menselijke gezondheid. Daarom voerde het team een dubbelblinde, gerandomiseerde gecontroleerde proef uit om te achterhalen hoe het inademen van dit materiaal de acute functies van onze longen en bloedvaten beïnvloedt.

De sterk gezuiverde, dunne en metaal‑ en endotoxinevrije GO‑materialen werden gesynthetiseerd met een aangepaste Hummers‑methode. De GO‑nanosheets (2D‑nanostructuren met een dikte tussen 1 en 100 nm) hadden een strikt gedefinieerde grootte en geen elementaire verontreiniging. De studie gebruikte twee laterale dimensies: kleine GO (s‑GO) en ultrasmall GO (us‑GO). 

Meer dan een dozijn vrijwilligers namen deel aan de studie, waarbij ze een zorgvuldig gecontroleerde blootstelling ondergingen, waarbij het materiaal via een gezichtsmasker werd ingeademd. De deelnemers ademden grafeenoxide gedurende twee uur in terwijl ze fietsten in een speciaal ontworpen mobiele blootstellingskamer. Enkele weken later keerden de vrijwilligers terug voor herhaalde gecontroleerde blootstellingen. Deze keer richtte het onderzoek zich op experimenten met grafeenoxide‑deeltjes van verschillende groottes.

Dus de 14 jonge, gezonde vrijwilligers inhaleerden zowel kleine als extreem kleine GO‑nanosheets met een concentratie van 200 μg m−3 (microgram per kubieke meter lucht) tijdens herhaalde bezoeken. De werkelijke concentratie van s‑GO was 214 ± 23 μg m−3, en van us‑GO 224 ± 17 μg m−3, die gedurende de twee uur constant werden gehouden.

Het maximale uit nanotechnologie halen

De studie meette de effecten van het materiaal op longfunctie, bloedstolling, bloeddruk en ontsteking in het bloed vóór de blootstelling en met twee uur tussenpozen. 

Onderzoekers vonden geen nadelige effecten van het materiaal op de bloeddruk of longfunctie. Het vertoonde geen ongunstige reactie in andere onderzochte biologische parameters. Ze merkten echter op dat inademing van grafeenoxide de manier waarop bloed stolt kan beïnvloeden, maar benadrukten dat het effect zeer klein was.

Wat betreft de analyse van het sterk verrijkte bloedproteomics, toonde het zeer weinig verschillende plasmaprotenen, terwijl de vorming van trombus slechts licht verhoogd was in een ex‑vivo model van arteriële schade. 

Deze studie, volgens professor Kostas Kostarelos van de Universiteit van Manchester en het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschap en Nanotechnologie (ICN2) in Barcelona, toont aan dat zuivere vormen van grafeenoxide verder ontwikkeld kunnen worden terwijl het risico voor de menselijke gezondheid wordt geminimaliseerd. Hij merkte op:

“Het heeft ons meer dan tien jaar gekost om de kennis te ontwikkelen om dit onderzoek uit te voeren, zowel vanuit materiaal‑ en biowetenschappelijk oogpunt als vanuit de klinische capaciteit om dergelijke gecontroleerde studies veilig uit te voeren.”

De studie werd uitgevoerd door onderzoekers van de universiteiten van Edinburgh en Manchester en gefinancierd door de UKRI EPSRC en de British Heart Foundation. Volgens de onderzoekers is verder werk nodig om te bepalen of hogere doses van verschillende vormen van grafeen een ander effect op de gezondheid zouden hebben. Het onderzoeksteam is bovendien geïnteresseerd in het verkennen of langdurige blootstelling aan grafeenoxide extra gezondheidsrisico’s zou veroorzaken. 

Hoewel nanomaterialen zoals grafeen veelbelovend zijn, moet worden gegarandeerd dat “ze op een veilige manier worden vervaardigd voordat ze breder in ons leven kunnen worden gebruikt,” zei Dr. Mark Miller (BSc, PhD), senior onderzoeksmedewerker aan het Centre for Cardiovascular Science van de Universiteit van Edinburgh. Het verkennen van de veiligheid van grafeen bij mensen zal ons helpen te begrijpen hoe dit unieke materiaal het lichaam kan beïnvloeden, en “met zorgvuldige ontwerpen kunnen we nanotechnologie veilig optimaal benutten,” voegde hij toe.

Wat betreft de beperkingen van de studie merkten de onderzoekers op dat deze alleen veranderingen in biologische parameters detecteerde op basis van hun eerdere werk met dieseluitlaatnanodeeltjes, en dat het aantal deelnemers mogelijk onvoldoende is om de subtielere effecten van GO‑inademing te detecteren.

Ook kozen de onderzoekers de dosering specifiek om duidelijke fysiologische effecten te voorkomen, wat suggereert dat hogere concentraties GO of langere blootstellingsduur effecten kunnen onthullen die in deze studie niet werden waargenomen. Bovendien betekende het onvermogen om de studie langer dan 6 uur uit te breiden dat waarschijnlijk enkele ontstekingsroutes niet werden vastgelegd.

Dat gezegd hebbende, toont de studie duidelijk aan dat het inademen van de ultra‑gezuiverde en dunne grafeenoxide‑nanosheets, die nanometer‑groot zijn, geen effect heeft op gezonde mensen. Op deze manier wordt de basis gelegd om de effecten van andere tweedimensionale nanomaterialen (platte, niet‑sferisch gevormde stoffen met één dimensie <100 nm) bij mensen te onderzoeken.

Deze studie opent de deur voor het ontwikkelen van nieuwe methoden om geneesmiddelen af te leveren voor de behandeling van ziekten. Bij het ontwerpen van een geoptimaliseerd geneesmiddelafgiftesysteem is het doel therapeutische middelen op een controleerbare manier te transporteren, terwijl bijwerkingen op gezond weefsel worden geminimaliseerd.

Het is zeker een belangrijke stap richting een uitgebreide risico‑evaluatie van grafeen en 2D‑nanomaterialen die het potentieel hebben om meerdere wereldwijde uitdagingen aan te pakken, door een safe‑by‑design benadering te hanteren om het ware potentieel van dit unieke materiaal te benutten.

Bedrijven die grafeen verkennen

Op grafeen gebaseerde oplossingen kunnen veel industrieën en talloze bedrijven zoals Tesla (TSLA ), Samsung, Lockheed Martin (LMT ), Ford, Intel (INTC ) en 3M enorm ten goede komen. Laten we nu kijken naar bedrijven die grafeen verkennen en oplossingen ontwikkelen op basis van dit materiaal:

#1. Graphenea

De toonaangevende fabrikant van op grafeen gebaseerde materialen, Graphenea, levert grafeen van hoge kwaliteit voor onderzoeks- en industriële toepassingen. Het portfolio van het bedrijf bestaat uit grafeenoxide, grafeen field‑effect‑transistor chips (GFET’s), CVD‑grafeenfilms en grafeen‑foundry‑diensten (GFAB). 

De productlijst van Graphenea omvat onder meer een Graphenea‑kaart en mGFET‑4D en mGEFD‑4P voor sensortoepassingen. Het bedrijf is partner van de Graphene Flagship, geprezen als het grootste onderzoeksinitiatief in Europa voor gecoördineerde inspanningen met een budget van €1 miljard.

#2. Haydale Graphene Industries

Het wereldwijde technologiebedrijf is gespecialiseerd in de verwerking van grafeen, naast andere nanomaterialen, voor diverse toepassingen. Met een marktkapitalisatie van 4,44 miljoen, worden de aandelen van Haydale Graphene Industries (HAYD‑GB: London Stock Exchange) verhandeld tegen 0,45, een daling van 5,26 % sinds het begin van het jaar (YTD). Het bedrijf heeft een EPS (TTM) van -0,85 en een P/E (TTM) van -0,53. 

De jaar‑op‑jaar nettowinst van het bedrijf is met 28,20 % gedaald tot een verlies van 6,17 mln, ondanks een stijging van meer dan 48 % in de omzet tot 4,30 mln, wat te wijten is aan een stijging van de kosten van verkochte goederen als percentage van de omzet. In de tweede helft van vorig jaar haalde Haydale £5 miljoen op via een inschrijving van 0,5 p per aandeel en bood een retailaanbod van maximaal £1 miljoen voor particuliere beleggers. 

Het bedrijf is recentelijk een partnerschap aangegaan met PETRONAS Ventures, de tak voor technologische commercialisering van het Maleisische olie‑ en gasbedrijf Petroliam Nasional Berhad, om grafeen te functionaliseren voor producttoepassingen. Deze samenwerking was een poging om de massaproductie van grafeen‑gebaseerde producten in tal van sectoren te bevorderen. 

In december 2023 verleende de Welshse overheid het bedrijf SMART‑financiering om grafeen‑geïnfuseerde warmte‑overdrachtsvloeistoffen te ontwikkelen in samenwerking met de fabrikant van watergebaseerde warmte‑overdrachtsvloeistoffen Hydratech.

#3. IBM

Deze technologische gigant heeft grafeen onderzocht in de elektronica. Ongeveer een decennium geleden bouwde IBM een grafeen‑chip die 10.000 keer sneller was dan eerdere grafeen‑IC’s. Enkele jaren later gebruikte IBM de unieke eigenschappen van grafeen om fabricagetechnieken te ontwikkelen die het schalen van halfgeleiderapparaten naar functiegroottes kleiner dan 7 nanometer op siliciumwafers mogelijk maakten. 

Dit vormt een aanzienlijke sprong in de halfgeleidertechnologie, waarbij de grenzen van miniaturisatie en prestaties worden verlegd. IBM heeft veel tijd en miljarden dollars geïnvesteerd in de toekomst van nano‑electronics, inclusief het gebruik van grafeen.

Met een marktkapitalisatie van $164 mrd worden de aandelen van het bedrijf (IBM: NYSE) verhandeld tegen $181,20, een stijging van 9,87 % YTD. IBM heeft een omzet (TTM) van $61,86 mrd gerapporteerd en een EPS (TTM) van 8,03, een P/E (TTM) van 22,37 en een ROE (TTM) van 33,36 %. Het bedrijf betaalt ook een dividendrendement van 3,70 %.

Conclusie

Grafeen, een uiterst veelzijdig materiaal, vindt brede toepassingen in de energie‑, elektronica‑ en bouwsectoren. In de technologiesector kan dit materiaal de manier waarop we met technologie omgaan volledig veranderen. Deze studie toont bovendien aan dat de medische sector dit unieke materiaal veilig kan gebruiken zonder nadelige effecten op de menselijke gezondheid en het lichaam. Het realiseren van de volledige voordelen van grafeen vereist echter massaproductie tegen lage kosten, een mijlpaal die nog niet is bereikt. 

Desondanks kan men niet ontkennen dat grafeen het “materiaal van de toekomst” is, en dat is terecht. Als ’s werelds dunste, meest flexibele en sterkste materiaal kondigt het een echte revolutie aan die de wereld kan veranderen.

Klik hier om meer te leren over het nanoschaal‑grafiet dat klaar is voor commercialisatie.