Graphen: Was sind die Vorteile und die Risiken?


Das Auftauchen von Graphen im Universum der Nanomaterialien führt zu einer echten Revolution, da es erstaunliche Eigenschaften hat und Anwendungen verspricht, die Science-Fiction in den Schatten stellen. Aber was wissen wir über seine Sicherheit für Mensch und Umwelt?

Was ist Graphen und warum ist es so wichtig?

Graphen ist ein neues Kohlenstoffmaterial, das aufgrund seiner außergewöhnlichen Eigenschaften ein noch nie dagewesenes Innovationspotenzial besitzt: Es ist 200-mal härter als Stahl, leitfähiger als Kupfer und leichter als jedes andere bekannte Material. Es ist der erste zweidimensionale Kristall, der aus einer ein Atom dicken Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, die in einem hexagonalen Gitter verbunden sind.

Dieses Video von der American Chemistry Society (ACS) erklärt es sehr gut…


Die Anwendungen reichen von der Medizin über Umweltsanierung, Energieerzeugung und -speicherung, Informations- und Kommunikationstechnologien, Sensoren in allen Bereichen bis hin zur Entwicklung neuer ultrastarker und gleichzeitig ultraleichter Materialien usw. Papierdünne, aufrollbare Bildschirme, Gebäude, die sich durch unsichtbare Beschichtungen, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, selbst mit Strom versorgen, Küchengeräte mit Sensoren, die vor verdorbenen Lebensmitteln warnen, Medikamente, die Krebszellen aufspüren und auf sie einwirken, oder Membranen, die Salz von Meerwasser trennen und so die Versorgung der gesamten Bevölkerung und von zuvor verödeten Gebieten mit frischem Wasser gewährleisten. Alles steht vor der Tür.

Die Erwartungen, die dieses Supermaterial weckt, sind so weitreichend, dass die Europäische Union die Forschung in diesem Bereich zusammen mit der des Gehirns als eines der Flaggschiffe der Forschung betrachtet und das Graphen-Flaggschiff geschaffen hat. Im September 2014 definierte die Europäische Kommission diese Art von Initiative als „visionäre wissenschaftliche Großforschungsprojekte, die sich mit großen wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen befassen.

Es handelt sich um langfristige Initiativen, die exzellente Forschungsteams aus verschiedenen Disziplinen mit einem gemeinsamen Ziel und einem ehrgeizigen Forschungsplan zur Erreichung dieses Ziels vereinen. Die Flaggschiffe sind auf transformative Auswirkungen in Wissenschaft und Technologie ausgerichtet, die einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil für die europäische Industrie und einen großen Nutzen für die Gesellschaft bieten. Das Budget beträgt eine Milliarde Euro für die nächsten zehn Jahre. Der Kern des europäischen Konsortiums umfasst 150 universitäre und industrielle Forschungszentren aus 23 Ländern.

Um den Umfang dieses enormen Projekts zu verstehen, genügt es, die verschiedenen Bereiche und Projekte zu nennen, die daran beteiligt sind. Bis vor kurzem umfasste das Graphene Flagship 11 Arbeitspakete: WP 1: Werkstoffe, WP 2: Gesundheit und Umwelt, WP 3: Graphen-Grundlagenforschung und 2D-Materialien jenseits von Graphen, WP 4: Hochfrequenzelektronik, WP 5: Optoelektronik, WP6: Spintronik, WP7: Sensoren, WP8: Flexible Elektronik, WP9: Energie, WP10: Nanokompositen und WP11: Produktion. Bis heute hat die Entwicklung des Projekts, die sich an den Forschungsergebnissen orientiert, zu 20 Arbeitspaketen geführt, die in 5 Abteilungen gruppiert sind, einschließlich der Verwaltung und des Projektmanagements.

Andre Geim (rechts) und Konstantin Novoselov

Alle im Rennen

Prognosen zufolge wird der Graphenmarkt von 20 Millionen Dollar im Jahr 2014 auf mehr als 390 Millionen Dollar im Jahr 2024 anwachsen. Der Wettlauf um die Patententwicklung begann kurz nach 2010, als Andre Geim und Konstantin Novoselov den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeit an Graphen erhielten. Seitdem ist die wissenschaftliche Produktion unaufhaltsam, und die asiatischen Länder sind auf dem Gebiet der Graphen-Patente führend. Schauen Sie sich nur an, was das Patentamt Ihrer gnädigen Majestät des Vereinigten Königreichs im Jahr 2013 zu sagen hatte. (Siehe Anhang am Ende)

In dieser Darstellung sind die topografischen Gebiete proportional zum Umfang der Patentanmeldungen. Man beachte die geringe westliche im Vergleich zur östlichen Ausdehnung. Der neue Bericht von 2015 über die weltweite Graphen-Patentlandschaft weist Asien weiterhin diese Dominanz zu, angeführt von Samsung mit Patentfamilien, die auf flexible Elektronik und Energiespeicherung abzielen.

Der Anteil am weltweiten Graphen-Patentkuchen, vor und nach 2009. (Die weltweite Patentlandschaft im Jahr 2015. Seite 8).

Wie steht es um die Sicherheit für Mensch und Umwelt?

Das Potenzial und das Interesse von Graphen sind eindeutig. Wenden wir uns nun den Aspekten der Sicherheit und des Gesundheitsschutzes bei der Arbeit mit Graphen zu. Wie wir gesehen haben, gibt es im Rahmen des Graphen-Flaggschiffs ein Arbeitspaket, das der Sicherheit von Mensch und Umwelt gewidmet ist, „als unverzichtbarem Bestandteil der Verwirklichung des vollen Potenzials für Wohlstand, Wachstum und Wettbewerbsfähigkeit, das uns das Graphen-Flaggschiff bietet“.

Der Text von WP2 lautet: Die geringe Größe und die einzigartigen physikochemischen Eigenschaften von Graphen bergen potenzielle Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Die Identifizierung und Lösung potenzieller Sicherheits- und Toxizitätsprobleme ist nicht nur für die Integration von Graphen in IKT, Verbundwerkstoffe usw. von entscheidender Bedeutung, sondern auch im Hinblick auf seine potenziellen biomedizinischen Anwendungen, wie z. B. Geräte mit direkter Nanoschnittstelle zu Zellen und Geweben. Dieses Arbeitspaket (WP) ist eine wesentliche Voraussetzung, die nicht von der Entwicklung neuer Nanotechnologien getrennt werden kann. Die Gruppe hat den Auftrag, die Sicherheit von Graphen für Mensch und Umwelt zu untersuchen und wird von Prof. Maurizio Prato, Universität Triest, Italien, und Prof. Alberto Bianco, CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique), Frankreich, geleitet.

Nun, was wissen wir heute über die mögliche Toxizität von Graphen? Vor kurzem wurde eine Übersicht über die verfügbaren empirischen Daten zur Toxizität von Graphen veröffentlicht. Die folgende Abbildung zeigt ein Diagramm möglicher Mechanismen der Zytotoxizität. Graphenblätter können auf verschiedenen Wegen in Zellen eindringen. Im Zellinneren kann Graphen die Bildung von Substanzen auslösen, die oxidativen Stress erzeugen, die LDH- und MDH-Werte erhöhen oder die Kalziumhomöostase verändern. Diese Veränderungen können verschiedene Arten von Schäden verursachen, wie die physische Zerstörung der Zelle, Schäden an der Plasmamembran, Entzündungen, DNA-Veränderungen, mitochondriale Schäden, Apoptose oder Nekrose.


Trotz dieser Erkenntnisse sind wir noch weit davon entfernt, eine allgemeine Aussage über die mögliche Toxizität bestimmter Graphenarten treffen zu können. Noch weniger gilt dies für Graphen im Allgemeinen. Bis dahin wird die Anwendung des Vorsorgeprinzips es uns ermöglichen, die Sicherheit und den Gesundheitsschutz all derjenigen zu gewährleisten, die potenziell mit Graphen in Berührung kommen. In der Anfangsphase der Graphenentwicklung sind vor allem Forschungslabors und Graphenproduktionsunternehmen betroffen.

Wir müssen auch auf Forschungsergebnisse achten, die uns Hinweise oder Informationen darüber geben, wie wir uns als Verantwortliche für die Gesundheit und Sicherheit von Personen, die potenziell Nanomaterialien ausgesetzt sind, verhalten sollen, wie z. B. dieses Ergebnis, das uns zeigt, dass das Alter ein Faktor für die unterschiedliche Reaktion auf die Exposition gegenüber Nanomaterialien sein kann.


Ich lade Sie ein, „The graphene house“ zu besuchen, die Website der Universität Manchester, die sich mit Graphen befasst, eine der informativsten Websites, was nicht verwunderlich ist, da Geim und Novoselov dort Graphen entdeckt haben.

Anhang

Die weltweite Patentlandschaft im Jahr 2013