Safe and Sustainable by Design: Graphen als Praxisbeispiel

Grafen to prawdziwy cud materialoznawstwa. W tej formie węgla atomy układają się w dwuwymiarowe warstwy. To nadaje grafenowi korzystne właściwości: jest przewodnikiem elektrycznym, prawie przezroczystym i posiada wysoką wytrzymałość na rozciąganie. Dlatego materiał ten, od momentu jego pierwszej syntezy w 2004 roku, jest intensywnie badany, również w Empa. Jego wpływ na ludzi i środowisko został szczegółowo zbadany w unijnym projekcie „Graphene Flagship” z udziałem Empa.

Obecnie naukowcy z Empa idą o krok dalej i stosują zasadę „Safe and Sustainable by Design” (SSbD) do nowatorskiego materiału. „Grafen jest dobrym przykładem, ponieważ istnieje już wiele badań i danych na ten temat”, wyjaśnia Peter Wick, kierujący laboratorium „Nanomaterials in Health” w Empa. „My również przez dziesięć lat zajmowaliśmy się tym materiałem w ramach ‹Graphene Flagship›.”

Podstawowe idee stojące za koncepcją SSbD nie są nowe, kontynuuje naukowiec: bezpieczeństwo i zrównoważoność grafenu były już centralnym tematem w projekcie Flagship. Nowością jest połączenie tych tematów w „SSbD-Framework”, który ma umożliwić przemysłowi zrównoważone i bezpieczne innowacje.

Odpowiednio, naukowcy z Empa nie tylko badali, czy grafen sam w sobie jest bezpieczny i zrównoważony. „Chcieliśmy wykorzystać dobrą bazę danych, aby przetestować zastosowanie SSbD-Framework oraz dowiedzieć się, gdzie i jak może być on jeszcze bardziej rozwinięty i uproszczony”, wyjaśnia badaczka z Empa Fiorella Pitaro z działu „Technologia i Społeczeństwo”.

Jedna nazwa, wiele materiałów

Zadanie jest skomplikowane: intensywne badania i rozwój w ciągu ostatnich dwóch dekad dodały do czystego grafenu całą gamę pokrewnych produktów, zwanych materiałami podobnymi do grafenu. Istnieje czysty grafen, ale również tlenek grafenu, zredukowany tlenek grafenu, „Few-Layer-Graphene”, które składają się z kilku warstw, i wiele innych. Nawet te określenia nie zawsze są jednoznaczne i mogą z kolei oznaczać kilka nieco różnych materiałów.

Ta różnorodność stanowi wyzwanie, ale także korzyść dla zastosowania SSbD. „Możemy porównać dane dla każdej z tych podklas materiałów i formułować stwierdzenia, jak potencjał szkody danej wariacji jest powiązany z jej strukturą”, wyjaśnia Wick. „Ponieważ często mają one podobne funkcje, w idealnym przypadku można zastosować najbezpieczniejszy rodzaj grafenu dla każdej aplikacji.”

Także sposób, w jaki materiał dostaje się do organizmu ludzkiego, jest kluczowy dla stwierdzeń dotyczących jego bezpieczeństwa: czy jest inhalowany, czy podawany jako część leku bezpośrednio do krwiobiegu? Czy trafia do układu pokarmowego przez łańcuch pokarmowy, czy jest aplikowany na skórę? „Aby móc wiarygodnie ocenić ryzyko dla człowieka, musimy znać zastosowanie materiału”, mówi Wick. Ponieważ to zastosowanie określa, czy, jak i w jakich ilościach ekspozycja ma miejsce.

Dostępne i niezawodne

„Narzędzia i modele, które można stosować do ocen w ramach SSbD-Framework, zostały głównie opracowane dla chemikaliów”, mówi Fiorella Pitaro. Gdzie w przypadku chemikaliów przede wszystkim struktura molekularna określa właściwości, dla materiałów dochodzi znacznie więcej czynników: struktura powierzchni, kształt i rozmiar cząstek, sposób przetwarzania i wiele innych. Kolejnym celem naukowców z Empa jest zatem dalsze rozwijanie istniejących narzędzi SSbD tak, aby mogły być również stosowane do materiałów.

Celem SSbD jest promowanie zrównoważonych i bezpiecznych innowacji. „Aby przemysł, zwłaszcza MŚP, mógł z niego korzystać, model musi stać się bardziej dostępny i prostszy”, mówi Peter Wick. Stwierdzenia, które dokonuje na temat bezpieczeństwa i zrównoważoności badanych materiałów i chemikaliów, powinny być przy tym nadal jak najbardziej wiarygodne. Aby pogodzić te sprzeczne wymagania, potrzebne są dalsze badania – coś, co zespoły Empa rozwijają w różnych projektach.

Co do bezpieczeństwa i zrównoważoności grafenu, eksperci są ostrożnie optymistyczni. W wielu dziedzinach i zastosowaniach wydaje się, że materiał jest bardziej bezpieczny i zrównoważony niż dziś stosowane alternatywy węglowe. Jednakże nie jest to pozwolenie na swobodne wprowadzenie go do środowiska, ostrzegają. „Nie wiemy jeszcze wszystkiego”, mówi naukowiec z Empa, Wick.

Kontakt dla mediów:
Anna Ettlin
Komunikacja
Tel. +41 58 765 47 33
redaktion@empa.ch

Informacja redakcji: prawa do zdjęcia należą do odpowiedniego wydawcy. Prawa do zdjęcia: Empa