Utvikling av grafenbaserte løsninger blir mer sannsynlig ettersom helseeffektene ser minimale ut

Grafen, med sitt enorme potensial, representerer et betydelig gjennombrudd innen materialvitenskap. Ekstrahert fra grafitt, en krystallinsk form av karbon, er grafen et bemerkelsesverdig viktig materiale snarere enn et grunnstoff. Du finner det vanligvis i blyet i en blyant.

Som det tynneste materialet, kun ett atomtykk, skiller grafen seg ut med sin letthet, elastisitet og styrke. Det har en motstand som er 200 ganger høyere enn stål og en tykkelse tusen ganger mindre enn menneskehår.

Dette unike materialet er fem ganger lettere enn aluminium, som selv er tre ganger lettere enn stål, og har mange egenskaper. Disse inkluderer evnen til å absorbere lys samt høy elektrisk og termisk ledningsevne, som baner vei for innovasjoner på tvers av ulike sektorer.

I elektronikkindustrien forlenger grafens høye ledningsevne batterienes levetid betydelig og forkorter ladetiden, noe som forbedrer energieffektiviteten og enhetenes holdbarhet samtidig som overoppheting forhindres. Dens letthet overkommer en av de store begrensningene for droner – den tunge produksjonen av batterier for energilagring.

Grafens fleksibilitet og evne til å absorbere minimalt med lys gjør den ideell for produksjon av holdbare skjermer for ulike enheter. Samtidig gjør dens motstand den til en viktig komponent for fremskritt innen belysningssektoren.

I bygging forbedrer grafen bygningsisolasjonen og gir motstand mot fukt, korrosjon og brann, noe som bidrar til bedre termisk regulering i hjem. Derfor kan den være svært gunstig i fornybar energisektoren, da den vil generere mer energi enn det som produseres i dag. Samtidig kan den i helsevesenet bidra til å lage lettere høreapparater samt ben og muskler gjennom kirurgiske inngrep.

Grafens mulige anvendelser inkluderer også transistorer, antenner, databrikker, superkondensatorer, DNA-sekvensering, vannfiltre og solceller.

Gitt grafens varierende egenskaper og potensial til å revolusjonere så mange ulike sektorer, har det vitenskapelige fellesskapet fulgt grafen nøye. Forskere og selskaper over hele verden har studert og eksperimentert med dette materialet.

en studie av MIT-fysikere fant en «fraksjonell kvantum anomal Hall‑effekt» i grafen. Den fraksjonelle kvante‑Hall‑effekten er en ekstremt sjelden forekomst som, dersom den kontrolleres, kan bidra til å bygge feil‑tolerante kvantedatamaskiner.

Denne effekten er kun blitt observert noen få ganger, og da hovedsakelig under svært høye, nøye kontrollerte magnetfelt. Men denne gangen ble effekten sett i et materiale som forskerne ikke forventet, og i tillegg i fravær av et magnetfelt. Denne oppdagelsen har betydelige implikasjoner for grunnleggende fysikk. Den vil sannsynligvis bane vei for en ny form for kvantedatabehandling som er betydelig mer motstandsdyktig mot forstyrrelser.

I en annen studie avslørte forskere en ny metode for å syntetisere grafenoksid (GO), som er dispersibel i løsningsmidler. Den nye metoden kombinerte syren fra Hummers‑metoden og oksidanten fra Brodie‑metoden for å produsere GO på en enkel måte, men med et lite antall defekter.

Imidlertid, selv om grafen har et enormt anvendelsespotensial, er det ennå ikke mye brukt og blir fortsatt utforsket. Begrenset produksjonsvolum, høy kostnad og helserisiko er de største faktorene som begrenser adopsjonen av grafen. En av disse faktorene kan imidlertid ikke være så begrensende.

Klikk her for å finne ut om grafen‑semiconductorene virkelig er her.

Menneskelig studie viser at innånding av grafen er trygt

Grafen ble først isolert av forskerne Andre Geim og Konstantin Novoselov i 2004, for hvilket de mottok Nobelprisen i fysikk i 2010. Hyllet som et ‘mirakelmateriale’, har grafen blitt utforsket over hele verden, også innen helsefeltet, via implanterbare enheter og sensorer.

Innen helsevesenet blir materialet også undersøkt i forhold til målrettet terapi mot tilstander som kreft. Men selvfølgelig, før materialet kan brukes til medisinske formål, må det testes for eventuelle potensielle bivirkninger. Og en nylig studie antyder at en spesifikk type grafen kan innåndes uten noen akutt risiko for menneskers helse.

Denne kliniske studien, som involverte den første kontrollerte eksponeringen, benyttet en tynn, ultra‑pur vannkompatibel form av materialet – grafenoksid (GO).

Grafen er et 2D‑nanomateriale bestående av ett eller noen få lag av karbongitter, og den oksiderte formen har vist lovende egenskaper i biomedisinsk vitenskap takket være sin kompatibilitet med blodceller, hydrofilisitet, stort overflateareal for kjemisk funksjonalisering, og rimelig kolloidal stabilitet i biologisk relevante løsninger. Lagdelte grafenoksidmaterialer, spesielt, studeres for membranapplikasjoner. Imidlertid er det begrenset og inkonsekvent toksikologisk data tilgjengelig for grafenoksid.

Selv om de utvikles for brede anvendelser, påpeker studien at nanomaterialer av grafenoksid er forbundet med potensielle sikkerhetsbekymringer for menneskers helse. Som et resultat gjennomførte teamet en dobbeltblind, randomisert kontrollert studie for å finne ut hvordan innånding av dette materialet påvirker de akutte funksjonene til lungene og blodårene våre.

De høyt rensede, tynne og metall‑ og endotoksinfri GO‑materialene ble syntetisert ved bruk av en modifisert Hummers‑metode. GO‑nanoskivene (2D‑nanostrukturer med tykkelse mellom 1 til 100 nm) hadde en strengt definert størrelse og ingen elementforurensning. Studien brukte to laterale dimensjoner: liten GO (s‑GO) og ultrasmall GO (us‑GO).

Over et dusin frivillige deltok i studien, hvor de opplevde nøye kontrollert eksponering som innebar innånding av materialet gjennom en ansiktsmaske. Grafenoksid ble pustet inn av deltakerne i to timer mens de syklet i et spesielt designet mobilt eksponeringskammer. Frivillige kom deretter tilbake for gjentatte kontrollerte eksponeringer noen uker senere. Denne gangen fokuserte forskningen på å eksperimentere med grafenoksidpartikler av ulike størrelser.

Dermed inhalerte de 14 unge, friske frivillige både små og ekstremt små GO‑nanoskiver med en konsentrasjon på 200 μg m−3 (mikrogram per kubikkmeter luft) ved gjentatte besøk. Den faktiske konsentrasjonen av s‑GO var 214 ± 23 μg m−3, og av us‑GO var 224 ± 17 μg m−3, som ble opprettholdt på et konstant nivå gjennom de to timene.

Utnytte nanoteknologi best mulig

Studien målte materialets påvirkning på lungefunksjon, blodkoagulasjon, blodtrykk og betennelse i blodet før eksponeringen og med to timers intervaller.

Forskerne fant ingen negative effekter av materialet på blodtrykk eller lungefunksjon. Det hadde ingen ugunstige reaksjoner i andre biologiske parametere som ble undersøkt. Imidlertid la de merke til at innånding av grafenoksid kan påvirke blodkoagulasjonen, men understreket at effekten var svært liten.

Når det gjelder analysen av den høyt berikede blodproteomikken, viste den svært få differensielle plasma‑proteiner, mens trombedannelse kun var svakt økt i en ex vivo‑modell av arterieskade.

Denne studien, ifølge professor Kostas Kostarelos ved University of Manchester og det katalanske instituttet for nanovitenskap og nanoteknologi (ICN2) i Barcelona, viser at rene former for grafenoksid kan utvikles videre samtidig som risikoen for menneskers helse minimeres. Han bemerket:

“Det har tatt oss mer enn ti år å utvikle kunnskapen som kreves for å utføre denne forskningen, både fra et material‑ og biologisk vitenskapelig perspektiv, men også fra den kliniske kapasiteten til å gjennomføre slike kontrollerte studier på en sikker måte.”

Studien ble utført av forskere fra universitetene i Edinburgh og Manchester og finansiert av UKRI EPSRC og British Heart Foundation. Ifølge forskerne kreves ytterligere arbeid for å finne ut om høyere doser av ulike former for grafen vil ha en annen effekt på helsen. Forskerteamet er også interessert i å utforske om langvarig eksponering for grafenoksid vil medføre ytterligere helserisiko.

Mens nanomaterialer som grafen har stort potensial, må det sikres at «de produseres på en sikker måte før de kan brukes bredere i livene våre», sa Dr. Mark Miller (BSc, PhD), seniorforskningsstipendiat ved University of Edinburgh’s Centre for Cardiovascular Science. Å utforske sikkerheten til grafen i mennesker vil hjelpe oss å forstå hvordan dette unike materialet kan påvirke kroppen, og «med nøye design kan vi trygt utnytte nanoteknologi best mulig», la han til.

Når det gjelder studiens begrensninger, bemerket forskerne at den kun oppdaget endringer i biologiske parametere basert på deres tidligere arbeid med dieselutslippsnanopartikler, og antallet deltakere kan være utilstrekkelig til å oppdage de mer subtile effektene av GO‑innånding.

Forskerne valgte også dosen spesifikt for å forhindre åpenbare fysiologiske effekter, noe som antyder at høyere konsentrasjoner av GO eller lengre eksponeringstid kan avdekke effekter som ikke ble observert i denne studien. I tillegg førte manglende mulighet til å forlenge studien utover 6 timer til at noen inflammatoriske veier sannsynligvis ble oversett.

Det sagt, viser studien tydelig at innånding av de ultra‑purifiserte og tynne grafenoksid‑nanoskivene, som er nanometerstore, ikke påvirker friske mennesker. På denne måten legger den grunnlaget for å undersøke effektene av andre todimensjonale nanomaterialer (flate, ikke‑sfæriske stoffer med én dimensjon <100 nm) i mennesker.

Denne studien åpner døren for å utvikle nye metoder for å levere legemidler for å behandle sykdommer. Når man designer et optimalisert legemiddelleveringssystem, er målet å transportere terapeutiske midler på en kontrollert måte samtidig som man minimerer bivirkninger på sunt vev.

Det er utvilsomt et stort skritt mot en omfattende risikovurdering av grafen og 2D‑nanomaterialer som har potensial til å løse flere globale utfordringer ved å adoptere en sikker‑ved‑design‑tilnærming for å utnytte det sanne potensialet til dette unike materialet.

Selskaper som utforsker grafen

Grafenbaserte løsninger kan i stor grad gagne mange industrier og utallige selskaper som Tesla (TSLA ), Samsung, Lockheed Martin (LMT ), Ford, Intel (INTC ) og 3M, blant andre. La oss nå se på selskaper som utforsker grafen og utvikler løsninger basert på materialet:

#1. Graphenea

Den ledende produsenten av grafenbaserte materialer, Graphenea, leverer grafen av høy kvalitet for forsknings- og industriapplikasjoner. Selskapets portefølje består av grafenoksid, grafen‑felt‑effekt‑transistor‑brikker (GFETs), CVD‑grafenfilmer og grafen‑foundry‑tjenester (GFAB).

Grapheneas produktliste inkluderer samtidig et Graphenea‑kort og mGFET-4D og mGEFD-4P for sensorteknologi. Selskapet er partner i Graphene Flagship, som er den største forskningsinitiativet i Europa for koordinerte innsats med et budsjett på €1 milliard.

#2. Haydale Graphene Industries

Det globale teknologiselskapet spesialiserer seg på bearbeiding av grafen, blant andre nanomaterialer, for ulike anvendelser. Med en markedsverdi på 4,44 millioner, handles Haydale Graphene Industries (HAYD-GB: London Stock Exchange) aksjer til 0,45, ned 5,26 % år‑til‑dato (YTD). Selskapet har en EPS (TTM) på -0,85 og en P/E (TTM) på -0,53.

Selskapets årlige nettoinntekt har falt 28,20 % til et tap på 6,17 mln til tross for en over 48 % økning i inntektene til 4,30 mln, som skyldes en økning i kostnadene for solgte varer som prosentandel av salget. I andre halvdel av fjoråret hentet Haydale £5 m fra et abonnement på 0,5 p/aksje og ga et detaljisttilbud på opptil £1 m for individuelle investorer.

Selskapet inngikk nylig et partnerskap med PETRONAS Ventures, den teknologiske kommersialiseringsarmen til det malaysiske olje‑ og gasselskapet Petroliam Nasional Berhad, for å funksjonaliserere grafen for produktapplikasjoner. Dette samarbeidet var et forsøk på å fremme masseproduksjon av grafenbaserte produkter i en rekke industrier.

I desember 2023 ga den walisiske regjeringen selskapet SMART‑finansiering for å utvikle grafen‑infunderte varmetransportvæsker i samarbeid med den vannbaserte varmetransportvæskeprodusenten Hydratech.

#3. IBM

Dette teknologigiganten har utforsket grafen innen elektronikk. For omtrent et tiår siden bygde IBM en grafenchip som var 10 000 ganger raskere enn tidligere grafen‑IC‑er. Deretter, mange år senere, utnyttet IBM grafens unike egenskaper for å utvikle fremstillingsteknikker som muliggjorde skalering av halvlederenheter til funksjonsstørrelser mindre enn 7 nanometer på silisiumplater.

Dette representerer et betydelig sprang i halvlederteknologi, som presser grensene for miniaturisering og ytelse. IBM har investert mye tid og milliarder av dollar i fremtiden for nanoelektronikk, inkludert bruk av grafen.

Med en markedsverdi på $164 mrd har selskapets aksjer (IBM: NYSE) blitt handlet til $181,20, opp 9,87 % YTD. IBM har rapportert en omsetning (TTM) på $61,86 mrd og har en EPS (TTM) på 8,03, P/E (TTM) på 22,37, og ROE (TTM) på 33,36 %. Selskapet betaler også en utbytteavkastning på 3,70 %.

Konklusjon

Grafen, et ekstremt allsidig materiale, har omfattende anvendelser innen energi‑, elektronikk‑ og byggesektoren. I teknologisektoren kan dette materialet fullstendig endre måten vi samhandler med teknologi på. Denne studien viser også at medisinsk sektor kan bruke dette unike materialet trygt uten noen skadelige effekter på menneskers helse og kropp. Imidlertid krever realiseringen av grafens fulle fordeler masseproduksjon til lav kostnad, et milepæl som ennå ikke er nådd.

Likevel kan man ikke benekte at grafen er «fremtidens materiale», og med rette. Som verdens tynneste, mest fleksible og sterkeste materiale representerer den en reell revolusjon som kan endre verden.

Klikk her for å lære mer om nanoskalagrafitt som er klar for kommersialisering.