Ένα υλικό νανοτεχνολογίας, το γραφένιο, έχει τραβήξει την παγκόσμια προσοχή, με πολλούς επιστήμονες να το χαρακτηρίζουν ως το νέο «θαυματουργό υλικό».
Το κατασκευασμένο από μεμονωμένα στρώματα γραφίτη δισδιάστατο υλικό, που εξορύσσεται από το έδαφος, είναι εξαιρετικά ελαφρύ, αγώγιμο και εύκαμπτο ενώ έχει τη δυνατότητα να προσφέρει µετασχηµατιστικές τεχνολογίες σε όλες τις βιομηχανίες, από τα ηλεκτρονικά έως τις μεταφορές.
Ο όρος γραφένιο πρωτοεμφανίστηκε το 1987, προκειμένου να περιγράψει μονά φύλλα γραφίτη. Χρησιμοποιήθηκε επίσης στις πρώτες περιγραφές των νανοσωλήνων άνθρακα, καθώς και για την κρυσταλλική αύξηση του γραφενίου
και τους πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες.
Το 2004, ο Ander Geim και ο Koatya Novoselov κατάφεραν να εξάγουν κρισταλλίτες από ακατέργαστο γραφίτη στο Πανεπιστήμιο του Μαντσεστερ.
Το γραφένιο, χάρισε το Νόμπελ στους δημιουργούς του, είναι ένα ανθεκτικό και άκρως αγώγιμο υλικό που αποτελείται από δισδιάστατα φύλλα ατόμων άνθρακα, τα οποία σχηματίζουν ένα εξαγωνικό πλέγμα.
Το υψηλό κόστος παραγωγής του (67.000 έως 200.000 δολάρια ο τόνος) έχει όμως εμποδίσει έως τώρα την ευρεία χρήση για βιομηχανικές εφαρμογές του, όπως η ανάμιξη του στα οικοδομικά υλικά, στα πλαστικά, στα μέταλλα κ.α.
Συχνά θεωρείται ως το λεπτότερο και ισχυρότερο υλικό που έχει ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα, παρουσιάζοντας ευελιξία που λίγα άλλα υλικά μπορούν να ανταγωνιστούν. Οι πιθανές χρήσεις του κυμαίνονται από τη βελτίωση ηλεκτρονικών συσκευών έως τη δημιουργία καλύτερων τρόπων καθαρισμού του νερού.
Μετά την εξέταση αυτών των δυνατοτήτων, είναι λογικό να σκεφτούμε πώς η έκθεση σε αυτό το υλικό μπορεί να επηρεάσει το ανθρώπινο σώμα.
Γραφένιο και η ανθρώπινη υγεία
Πρόσφατες μελέτες σε ανθρώπους δείχνουν ότι η ελεγχόμενη εισπνοή ενός τύπου γραφενίου γνωστού ως οξείδιο του γραφενίου δεν προκαλεί βραχυπρόθεσμους κινδύνους για τους πνεύμονες ή την καρδιά.
Δοκιμάστηκε για πρώτη φορά σε ανθρώπους μέσω μιας προσεκτικά σχεδιασμένης κλινικής δοκιμής. Η έκδοση που χρησιμοποιήθηκε ήταν κατασκευασμένη ώστε να είναι συμβατή με το νερό. Η ιδέα ήταν να διασφαλιστεί ότι το υλικό πληροί όσο το δυνατόν περισσότερο τα ιατρικά πρότυπα.
Αυτή η εργασία περιλάμβανε ομάδες από τα Πανεπιστήμια του Εδιμβούργου και του Μάντσεστερ.
Οι ερευνητές θέλουν να γνωρίζουν αν μεγαλύτερες ή μακροπρόθεσμες δόσεις μπορεί να δημιουργήσουν διαφορετικά αποτελέσματα, καθώς η δομή του γραφενίου είναι εξαιρετικά λεπτή.
«Τα νανοϋλικά όπως το γραφένιο έχουν τεράστιες προοπτικές, αλλά πρέπει να διασφαλίσουμε ότι κατασκευάζονται με τρόπο που να είναι ασφαλής προτού μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν ευρύτερα στη ζωή μας», εξήγησε ο Δρ. Mark Miller, από το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου.
Δοκιμή γραφενίου σε ανθρώπους
Η πρώτη κλινική μελέτη ελεγχόμενης έκθεσης περιλάμβανε 14 υγιείς συμμετέχοντες. Εισέπνευσαν οξείδιο του γραφενίου μέσω μιας μάσκας, ενώ έκαναν ποδήλατο σε σταθερή θέση μέσα σε έναν θάλαμο.
Οι ειδικοί εξέτασαν τη λειτουργία των πνευμόνων, την αρτηριακή πίεση, την πήξη του αίματος και δείκτες φλεγμονής.
Δεν υπήρξαν σοβαρές επιδράσεις στην αναπνοή ή την αρτηριακή πίεση. Υπήρξε μια μικρή ένδειξη αλλαγών στην πήξη του αίματος.
Η ομάδα πίσω από αυτήν την προσπάθεια παρατήρησε ότι κάθε λεπτομέρεια μετράει όταν πρόκειται να καταστούν αυτά τα υλικά κατάλληλα για καθημερινή χρήση.
«Αυτή είναι η πρώτη ελεγχόμενη μελέτη που περιλαμβάνει υγιείς ανθρώπους και αποδεικνύει ότι πολύ καθαρές μορφές οξειδίου του γραφενίου - με συγκεκριμένη κατανομή μεγέθους και χαρακτηριστικά επιφάνειας - μπορούν να αναπτυχθούν περαιτέρω με τρόπο που ελαχιστοποιεί τον κίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία», δήλωσε με ενθουσιασμό ο Dr. Kostas Kostarelos που καθηγητής Νανοϊατρικής στο Κέντρο Ιατρικής Νανοτεχνολογίας και επικεφαλής του Nanomedicine Lab στο Καταλανικό Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας (ICN2) στη Βαρκελώνη.
«Μας πήρε περισσότερα από 10 χρόνια να αναπτύξουμε αυτήν την έρευνα, τόσο από την πλευρά της επιστήμης των υλικών και της βιολογίας όσο και από την κλινική δυνατότητα να διεξάγουμε τέτοιες ελεγχόμενες μελέτες με ασφάλεια, συγκεντρώνοντας μερικούς από τους κορυφαίους ειδικούς στον κόσμο στον τομέα αυτό», κατέληξε.
Θα μπορούσε να βοηθήσει στην παροχή στοχευμένων θεραπειών για ορισμένα προβλήματα υγείας και μπορεί να είναι χρήσιμο σε εμφυτεύματα και αισθητήρες. Ωστόσο, κάθε ιδέα απαιτεί τεστ ασφάλειας και έγκριση από τον FDA πριν χρησιμοποιηθεί σε κλινικές.
Η πρόσφατη μελέτη προσφέρει δεδομένα που μπορούν να καθοδηγήσουν μελλοντικές εργασίες.
«Η ανακάλυψη ότι αυτός ο τύπος γραφενίου μπορεί να αναπτυχθεί με ασφάλεια, με ελάχιστες βραχυπρόθεσμες παρενέργειες, θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για την ανάπτυξη νέων συσκευών, καινοτομιών στη θεραπεία και τεχνικών παρακολούθησης», εξήγησε ο Williams.
«Ανυπομονούμε να δούμε μεγαλύτερες μελέτες σε μεγαλύτερο χρονικό διάστημα για να κατανοήσουμε καλύτερα πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε με ασφάλεια νανοϋλικά όπως το γραφένιο για να κάνουμε άλματα στην παροχή σωτήριων φαρμάκων στους ασθενείς».
Αξίζει να αναφερθεί πως η INBRAIN Neuroelectronics, τον περασμένο Οκτώβριο εξασφάλισε έναν δεύτερο γύρο χρηματοδότησης 50 εκατομμυρίων δολαρίων, συγκεντρώνοντας από την αρχή της ίδρυσής της το 2020, το συνολικό ποσό των 68 εκατομμυρίων δολαρίων.
Η INBRAIN εξασφάλισε παράλληλα και πρόσθετη χρηματοδότηση 30 εκατομμυρίων και υποστήριξη από την Γερμανική πολυεθνική φαρμακευτική εταιρεία και όμιλο Merck KgaA, για να προωθήσει την κλινική ανάπτυξη της τεχνολογίας της στους θεραπευτικούς τομείς ενδιαφέροντος της Merck.
Αυτή η συνεργασία θα ενισχύσει τη μετάφραση της πλατφόρμας της INBRAIN σε ανθρώπινη χρήση, επεκτείνοντας τον αντίκτυπό της σε εφαρμογές τόσο στο κεντρικό όσο και στο περιφερικό νευρικό σύστημα.
Παραγωγή γραφενίου από μικροπλαστικά
Μια άλλη ομάδα επιστημόνων ακολούθησε μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση. Επικεντρώθηκαν στα μικροπλαστικά, μικροσκοπικά πλαστικά θραύσματα περίπου στο μέγεθος ενός σπόρου σουσαμιού.
Αυτά τα μικρά κομμάτια καταλήγουν στους ωκεανούς και τις λίμνες, προκαλώντας προβλήματα στα ψάρια και τελικά στους ανθρώπους.
Μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο James Cook ανέπτυξε έναν τρόπο μετατροπής των μικροπλαστικών σε γραφένιο χρησιμοποιώντας μια διαδικασία που ονομάζεται σύνθεση μικροκυματικής πλάσματος υπό ατμοσφαιρική πίεση.
Αυτή η προσέγγιση μπορεί να απλοποιήσει τις μεθόδους ανακύκλωσης και να τις κάνει πιο φιλικές προς το περιβάλλον.
Ελπίδα για καθαρό πόσιμο νερό
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Khalifa στα Ηνωμένα Αραβικά Εμιράτα (ΗΑΕ) διερευνούν μια άλλη πιθανή χρήση του γραφενίου: την παραγωγή πόσιμου νερού.
«Εδώ στα Ηνωμένα Αραβικά Εμιράτα, όλο το πόσιμο νερό μας είναι στην πραγματικότητα αφαλατωμένο νερό, επομένως είναι ένας πολύ κρίσιμος τομέας της οικονομίας καθώς και της κοινωνίας», λέει ο Hassan Arafat, ανώτερος διευθυντής του Κέντρου Ερευνας και Καινοτομίας RIC2D.
Η αφαλάτωση είναι η διαδικασία αφαίρεσης του αλατιού από το θαλασσινό νερό και καθαρισμού του νερού για να γίνει πόσιμο. Και δεν είναι ζωτικής σημασίας μόνο στα ΗΑΕ: περισσότεροι από 300 εκατομμύρια άνθρωποι παγκοσμίως βασίζονται στο αφαλατωμένο νερό. Και καθώς η κλιματική αλλαγή και η ρύπανση απειλούν τα περιορισμένα μας αποθέματα γλυκού νερού, αυτός ο αριθμός θα αυξηθεί.
Αλλά η αφαλάτωση είναι μια δαπανηρή και ενεργοβόρα διαδικασία. Κάπου κεί μπαίνει στη συζήτηση το γραφένιο: ο Arafat εργάζεται πάνω σε μια μεμβράνη ενισχυμένη με γραφένιο, που θα μπορούσε να κάνει τη διαδικασία πιο αποτελεσματική και φθηνότερη.
Επί του παρόντος, στη φάση ανάπτυξης, οι μεμβράνες θα παραχθούν και θα πολλαπλασιαστούν το επόμενο έτος στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, στο Ηνωμένο Βασίλειο, που συνεργάζεται με το RIC2D στην έρευνα για το γραφένιο. Ακολούθως, οι μεμβράνες θα δοκιμαστούν σε μονάδα αφαλάτωσης.
Παράλληλα, νεοφυείς επιχειρήσεις όπως η Watercycle Technologies αναπτύσσουν μεμβράνες ενισχυμένες με γραφένιο για την αφαίρεση συγκεκριμένων ορυκτών από το νερό, ενώ η Molymem επικεντρώνεται στην αφαίρεση χρωστικών.
Το RIC2D διερευνά επίσης άλλες εφαρμογές για το γραφένιο, όπως αειφόρα δομικά υλικά με δυνατότητα μείωσης των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και λύσεις ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές υδρογόνου.
Παρά τη δυναμική του, το γραφένιο έχει αποδειχθεί δύσκολο και δαπανηρό να παραχθεί σε μεγάλη κλίμακα. Ενας τρόπος για να το φτιάξει κανείς είναι αφαιρώντας μεμονωμένα στρώματα από γραφίτη. Ωστόσο, οι ερευνητές στο RIC2D εργάζονται πάνω σε τρόπους μείωσης του κόστους και του χρόνου χωρίς να διακυβεύεται η ποιότητα.
Επιστήμονες δημιούργησαν τσιπ από γραφένιο, θα τροφοδοτεί μελλοντικούς κβαντικούς υπολογιστές
Επιστήμονες δημιούργησαν τον πρώτο λειτουργικό ημιαγωγό με βάση το γραφένιο στον κόσμο, ο οποίος θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για τσιπ που τροφοδοτούν πολύ ταχύτερους υπολογιστές και κβαντικούς υπολογιστές στο μέλλον.
Το νέο ημιαγώγιμο υλικό, κατασκευασμένο από επιταξιακό γραφένιο (ένα μονοατομικό στρώμα γραφενίου ενωμένο σε μια επιφάνεια καρβιδίου του πυριτίου.Το σύνθετο αυτό υλικό λειτουργεί ως ημιαγωγός, επιτρέπει δηλαδή τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος μόνο κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες), επιτρέπει μεγαλύτερη κινητικότητα από το πυρίτιο, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται με λιγότερη αντίσταση.
Τα τρανζίστορ που κατασκευάζονται με αυτόν τον τρόπο μπορούν να λειτουργούν σε συχνότητες terahertz - 10 φορές ταχύτερα από τα τρανζίστορ με βάση το πυρίτιο που χρησιμοποιούνται σε τσιπ που χρησιμοποιούνται σήμερα - έγραψαν οι ερευνητές σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 3 Ιανουαρίου στο περιοδικό Nature.
Πηγή: CNN / Earth