Utveckling av grafenbaserade lösningar blir mer sannolik när hälsoeffekterna visar sig vara minimala

Grafen, med sin enorma potential, representerar ett betydande genombrott inom materialvetenskapen. Extraherad från grafit, en kristallin form av kol, är grafen ett anmärkningsvärt viktigt material snarare än ett grundämne. Du hittar den vanligtvis i blyertspennan.

Som det tunnaste materialet, endast en atom tjockt, särskiljer sig grafen med sin lätthet, elasticitet och hållfasthet. Den har en hållfasthet 200 gånger högre än stål och en tjocklek tusen gånger mindre än människohår.

Detta unika material är fem gånger lättare än aluminium, som i sin tur är tre gånger lättare än stål, och har mångsidiga egenskaper. Dessa inkluderar förmågan att absorbera ljus samt hög elektrisk och termisk ledningsförmåga, vilket banar väg för innovationer inom olika sektorer.

Inom elektronikindustrin förlänger grafens höga ledningsförmåga batteriers användbara livslängd avsevärt och förkortar laddningstiden, vilket förbättrar energieffektiviteten och enheternas hållbarhet samtidigt som överhettning förhindras. Dess lätthet övervinner en av drönarnas betydande begränsningar – de tunga batterierna för energilagring.

Grafens flexibilitet och förmåga att absorbera minimalt ljus gör den idealisk för tillverkning av hållbara skärmar för olika enheter. Samtidigt gör dess hållfasthet den till en avgörande komponent för framsteg inom belysningssektorn.

Inom byggsektorn förbättrar grafen byggnadsisoleringen och ger motstånd mot fukt, korrosion och brand, vilket bidrar till bättre termisk reglering i hemmen. Därför kan den vara mycket fördelaktig inom förnybar energi, eftersom den kan generera mer energi än vad som för närvarande produceras. Samtidigt kan den inom sjukvården hjälpa till att skapa lättare hörapparater samt ben och muskler genom kirurgiska ingrepp.

Grafens möjliga tillämpningar inkluderar dessutom transistorer, antenner, datorkretsar, superkondensatorer, DNA-sekvensering, vattenfilter och solceller.

Med tanke på grafens varierande egenskaper och dess potential att revolutionera så många olika sektorer har den vetenskapliga gemenskapen hållit ett noggrant öga på grafen. Forskare och företag över hela världen har studerat och experimenterat med detta material.

Just den här veckan fann en en studie av MIT-fysiker en “fractional quantum anomalous Hall effect” i grafen. Den fraktionella kvant-Hall-effekten är en ytterst sällsynt företeelse som, om den kontrolleras, kan hjälpa till att bygga feltoleranta kvantdatorer.

Denna effekt har bara observerats ett fåtal gånger, och då främst under mycket höga, noggrant kontrollerade magnetfält. Men den här gången sågs effekten i ett material som forskarna inte förväntade sig, och dessutom i avsaknad av ett magnetfält. Denna upptäckt har betydande implikationer för grundläggande fysik. Den kommer sannolikt att bana väg för en ny form av kvantdator som är avsevärt mer motståndskraftig mot störningar.

I en annan studie avslöjade forskare en ny metod för syntes av grafenoxid (GO), som är dispersibel i lösningsmedel. Den nya metoden kombinerade syran från Hummers‑metoden och oxidanten från Brodie‑metoden för att producera GO på ett enkelt sätt men med ett litet antal defekter.

Men även om grafen har enorm applikationspotential är den ännu inte allmänt använd och undersöks fortfarande. Begränsad produktionsvolym, hög kostnad och hälso risker är de största faktorerna som begränsar antagandet av grafen. En av dessa faktorer kanske dock inte är lika begränsande.

Klicka här för att ta reda på om grafensemiconductorer verkligen är här.

Mänsklig studie visar att inandning av grafen är säker

Grafen isolerades först av forskarna Andre Geim och Konstantin Novoselov år 2004, för vilket de fick Nobelpriset i fysik 2010. Hyllad som ett ‘mirakelmaterial’ har grafen utforskats världen över, även inom hälso- och sjukvården, via implanterbara enheter och sensorer.

Inom sjukvården undersöks materialet även för riktade terapier mot tillstånd såsom cancer. Men naturligtvis, innan materialet kan användas för medicinska ändamål, måste det testas för eventuella negativa effekter. Och en nyligen studie tyder på att en specifik typ av grafen kan inhaleras utan någon akut risk för människors hälsa.

Denna kliniska studie, som innefattade den första kontrollerade exponeringen, använde en tunn, ultrarent vattenkompatibel form av materialet — grafenoxid (GO).

Grafen är ett 2D‑nanomaterial bestående av en enda eller några få lager av kolgitter, och dess oxiderade form har visat lovande egenskaper inom biomedicinsk vetenskap tack vare dess kompatibilitet med blodceller, hydrofilicitet, stora yta för kemisk funktionalisering och rimlig kolloidal stabilitet i biologiskt relevanta lösningar. Lagerade grafenoxidmaterial studeras särskilt för membrapanvändningar. Det finns dock begränsad och inkonsekvent toxikologisk data för grafenoxid.

Även om de utvecklas för breda tillämpningar, påpekar studien att nanomaterial av grafenoxid är förknippade med potentiella säkerhetsrisker för människors hälsa. Därför genomförde teamet en dubbelblind, randomiserad kontrollerad studie för att ta reda på hur inandning av detta material påverkar de akuta funktionerna i våra lungor och blodkärl.

De högst renade, tunna och metall- och endotoxinfria GO‑materialen syntetiserades med en modifierad Hummers‑metod. GO‑nanobladen (2D‑nanostrukturer med tjocklek mellan 1 och 100 nm) hade en strikt definierad storlek och ingen elementär förorening. Studien använde två laterala dimensioner: liten GO (s‑GO) och ultrasmal GO (us‑GO).

Över ett dussin volontärer deltog i studien, där de utsattes för noggrant kontrollerad exponering som innebar att andas in materialet genom en ansiktsmask. Grafenoxid andades in av deltagarna i två timmar medan de cyklade i en speciellt utformad mobil exponeringkammare. Volontärerna återvände sedan för upprepade kontrollerade exponeringar några veckor senare. Denna gång fokuserade forskningen på att experimentera med grafenoxidpartiklar av olika storlekar.

Alltså inhalerade de 14 unga, friska volontärerna både små och extremt små GO‑nanoblader med en koncentration på 200 μg m⁻³ (mikrogram per kubikmeter luft) vid återkommande besök. Den faktiska koncentrationen av s‑GO var 214 ± 23 μg m⁻³, och för us‑GO 224 ± 17 μg m⁻³, vilka upprätthölls på en konstant nivå under de två timmarna.

Utnyttja nanoteknologin till fullo

Studien mätte materialets effekter på lungfunktion, blodkoagulering, blodtryck och inflammation i blodet före exponeringen och med tvåtimmarsintervaller.

Forskare fann inga negativa effekter av materialet på blodtryck eller lungfunktion. Det visade ingen ogynnsam reaktion i de andra biologiska parametrarna som undersöktes. Däremot observerade de att inandning av grafenoxid kan påverka blodkoaguleringen, men betonade att effekten var mycket liten.

När det gäller analysen av den kraftigt berikade blodproteomiken visade den mycket få differerande plasma‑proteiner, medan trombbildning endast lätt ökade i en ex‑vivo‑modell av artärskada.

Studien, enligt professor Kostas Kostarelos, University of Manchester, och det katalanska institutet för nanovetenskap och nanoteknologi (ICN2) i Barcelona, visar att rena former av grafenoxid kan utvecklas vidare samtidigt som risken för människors hälsa minimeras. Han noterade:

“Det har tagit oss mer än tio år att utveckla kunskapen för att genomföra denna forskning, både ur ett material‑ och biovetenskapligt perspektiv, men också ur den kliniska kapaciteten att utföra sådana kontrollerade studier på ett säkert sätt.”

Studien genomfördes av forskare från universiteten i Edinburgh och Manchester och finansierades av UKRI EPSRC och British Heart Foundation. Enligt forskarna krävs ytterligare arbete för att ta reda på om högre doser av olika former av grafen skulle ha en annan effekt på hälsan. Forskarteamet är också intresserat av att undersöka om förlängd exponering för grafenoxid skulle medföra ytterligare hälsorisker.

Medan nanomaterial som grafen har stor potential måste man säkerställa att “de tillverkas på ett säkert sätt innan de kan användas i större utsträckning i våra liv,” säger Dr. Mark Miller (BSc, PhD), senior forskningsfellow vid University of Edinburghs Centre for Cardiovascular Science. Att utforska grafens säkerhet hos människor hjälper oss att förstå hur detta unika material kan påverka kroppen, och “med noggrann design kan vi säkert utnyttja nanoteknologin,” tillade han.

När det gäller studiens begränsningar noterade forskarna att den endast upptäckte förändringar i biologiska parametrar baserat på deras tidigare arbete med dieselavgass nanopartiklar, och antalet deltagare kan vara otillräckligt för att upptäcka de mer subtila effekterna av GO‑inandning.

Forskarna valde också dosen specifikt för att förhindra tydliga fysiologiska effekter, vilket tyder på att högre koncentrationer av GO eller längre exponeringstider kan avslöja effekter som inte observerades i denna studie. Dessutom innebar oförmågan att förlänga studien bortom 6 timmar att vissa inflammatoriska vägar sannolikt missades.

Det sagt visar studien tydligt att inandning av de ultrarenade och tunna grafenoxid‑nanobladen, som är nanometerstora, inte påverkar friska människor. På så sätt läggs grunden för att undersöka effekterna av andra tvådimensionella nanomaterial (platta, icke‑sfäriska substanser med en dimension <100 nm) hos människor.

Denna studie öppnar dörren för att utveckla nya metoder för läkemedelsleverans för att behandla sjukdomar. När man designar ett optimerat läkemedelsleveranssystem är målet att transportera terapeutiska ämnen på ett kontrollerat sätt samtidigt som man minimerar biverkningar på frisk vävnad.

Det är utan tvekan ett stort steg mot en omfattande riskbedömning av grafen och 2D‑nanomaterial som har potential att tackla flera globala utmaningar genom att anta ett safe‑by‑design‑tillvägagångssätt för att utnyttja detta unika materials verkliga potential.

Företag som utforskar grafen

Grafenbaserade lösningar kan gynna många industrier och otaliga företag som Tesla (TSLA ), Samsung, Lockheed Martin (LMT ), Ford, Intel (INTC ) och 3M, bland andra. Låt oss nu titta på företag som utforskar grafen och utvecklar lösningar baserade på materialet:

#1. Graphenea

Den ledande tillverkaren av grafenbaserade material, Graphenea, levererar högkvalitativ grafen för forsknings- och industriella tillämpningar. Företagets portfölj består av grafenoxid, grafen-fält‑effekt‑transistor‑chips (GFETs), CVD‑grafenfilmer och grafen‑foundry‑tjänster (GFAB).

Grapheneas produktlista inkluderar samtidigt ett Graphenea‑kort samt mGFET‑4D och mGEFD‑4P för sensortillämpningar. Företaget är partner till Graphene Flagship, som skryter som Europas största forskningsinitiativ för samordnade insatser med en budget på 1 miljard €.

#2. Haydale Graphene Industries

Det globala teknikföretaget specialiserar sig på bearbetning av grafen, bland andra nanomaterial, för olika tillämpningar. Med ett marknadsvärde på 4,44 miljoner har Haydale Graphene Industries (HAYD-GB: London Stock Exchange) aktier som handlas till 0,45, ned 5,26 % år‑till‑datum (YTD). Företaget har ett EPS (TTM) på -0,85 och ett P/E (TTM) på -0,53.

Företagets årlig nettoinkomst har fallit 28,20 % till en förlust på 6,17 mln trots en ökning på över 48 % i intäkterna till 4,30 mln, vilket beror på ökade kostnader för sålda varor som andel av försäljningen. Under andra halvan av förra året samlade Haydale in £5 m från en teckning på 0,5 p/aktie och erbjöd ett detaljhandelserbjudande på upp till £1 m för enskilda investerare.

Företaget har nyligen inlett ett partnerskap med PETRONAS Ventures, den tekniska kommersialiseringsgrenen av det malaysiska olje- och gasföretaget Petroliam Nasional Berhad, för att funktionalisera grafen för produktapplikationer. Detta samarbete var ett försök att driva massproduktion av grafenbaserade produkter i ett flertal industrier.

I december 2023 beviljade den walesiska regeringen företaget SMART‑finansiering för att utveckla grafeninfunderade värmeöverföringsvätskor i samarbete med den vattenbaserade värmeöverföringsvätsketillverkaren Hydratech.

#3. IBM

Denna teknikjätte har utforskat grafen inom elektronik. För ungefär ett decennium sedan byggde IBM ett grafenchip som var 10 000 gånger snabbare än tidigare grafen‑IC:er. Sedan, många år senare, utnyttjade IBM grafens unika egenskaper för att utveckla tillverkningstekniker som möjliggjorde skalning av halvledarenheter till funktioner mindre än 7 nanometer på kiselplattor.

Detta representerar ett betydande språng inom halvledarteknik, som skjuter gränserna för miniaturisering och prestanda. IBM har investerat mycket tid och miljarder dollar i framtiden för nanoelektronik, inklusive användning av grafen.

Med ett marknadsvärde på 164 mrd $ har företagets aktier (IBM: NYSE) handlats till 181,20 $, upp 9,87 % YTD. IBM har redovisat en omsättning (TTM) på 61,86 mrd $, ett EPS (TTM) på 8,03, ett P/E (TTM) på 22,37 och ett ROE (TTM) på 33,36 %. Företaget betalar också en utdelningsavkastning på 3,70 %.

Slutsats

Grafen, ett extremt mångsidigt material, har omfattande tillämpningar inom energi-, elektronik- och byggsektorerna. Inom tekniksektorn kan detta material helt förändra hur vi interagerar med teknik. Denna studie visar dessutom att medicinska sektorn kan använda detta unika material säkert utan några skadliga effekter på människors hälsa och kropp. Dock krävs massproduktion till låg kostnad för att uppnå grafens fulla fördelar, ett mål som ännu inte har nåtts.

Icke desto mindre kan man inte förneka att grafen är “framtidens material”, och med rätta. Som världens tunnaste, mest flexibla och starkaste material representerar den en verklig revolution som kan förändra världen.

Klicka här för att lära dig mer om det nanoskaliga grafiten som är redo för kommersialisering.