Grafeen is een echt wonderkind van de materiaalkunde. Bij deze vorm van koolstof ordenen de atomen zich in tweedimensionale lagen. Dit geeft grafeen voordelige eigenschappen: het is elektrisch geleidend, bijna transparant en heeft een hoge treksterkte. Sinds de eerste synthese in 2004 wordt het materiaal uitgebreid onderzocht, onder andere bij EMPA. De effecten op mens en milieu zijn grondig onderzocht in een EU-‘Graphene Flagship’-project met deelname van EMPA.
Nu gaan EMPA-wetenschappers een stap verder en passen het ‘Safe and Sustainable by Design’-principe (SSbD) toe op het nieuwe materiaal. 'Grafeen is een goed voorbeeld omdat er al veel studies en gegevens over bestaan', legt Peter Wick uit, die het EMPA-laboratorium 'Nanomaterials in Health' leidt. 'Ook wij hebben ons in het kader van het ‘Graphene Flagship’ tien jaar lang met dit materiaal beziggehouden.'
De fundamentele ideeën achter het SSbD-concept zijn niet nieuw, vervolgt de onderzoeker: de veiligheid en duurzaamheid van grafeen waren al een centraal thema in het Flagship-project. Nieuw is de integratie van deze thema's in het 'SSbD-framework', dat de industrie duurzame en veilige innovaties moet mogelijk maken.
In overeenstemming hiermee was het doel van de EMPA-wetenschappers ook niet (alleen) om te ontdekken of grafeen op zich veilig en duurzaam is. 'We wilden gebruik maken van de goede gegevens om de toepassing van het SSbD-framework te testen en uit te zoeken waar en hoe dit verder ontwikkeld en vereenvoudigd kan worden', legt EMPA-onderzoekster Fiorella Pitaro uit van de afdeling 'Technologie en Samenleving'.
Een naam, veel materialen
De taak is complex: door het uitgebreide onderzoek en ontwikkeling van de afgelopen twee decennia is naast puur grafeen een hele reeks verwante producten ontstaan, zogenaamde grafeenachtige materialen. Er is puur grafeen, maar ook grafeenoxide, gereduceerd grafeenoxide, 'Few-Layer-Graphene' dat uit meerdere lagen bestaat, en nog veel meer. Zelfs deze termen zijn niet altijd ondubbelzinnig en kunnen op hun beurt meerdere enigszins verschillende materialen aanduiden.
Deze diversiteit is een uitdaging, maar ook een voordeel voor de toepassing van SSbD. 'We kunnen de gegevens voor elk van deze materiaal-subklassen vergelijken en uitspraken doen over hoe het schadepotentieel van een bepaalde variant samenhangt met de structuur', legt Wick uit. 'Omdat ze vaak vergelijkbare functionaliteiten hebben, wordt in het ideale geval voor elke toepassing de veiligste vorm van grafeen gebruikt.'
Ook de manier waarop het materiaal het menselijk lichaam binnendringt, is van cruciaal belang voor uitspraken over de veiligheid ervan: Wordt het ingeademd of als onderdeel van een medicijn direct in de bloedbaan geïnjecteerd? Komt het via de voedselketen in ons spijsverteringskanaal terecht, of wordt het op de huid aangebracht? 'Om het risico voor de mens betrouwbaar te kunnen inschatten, moeten we de toepassing van het materiaal kennen', zegt Wick. Want de toepassing bepaalt of, hoe en in welke hoeveelheden er blootstelling plaatsvindt.
Toegankelijk en betrouwbaar
'De tools en modellen die gebruikt kunnen worden voor evaluaties in het SSbD-framework werden voornamelijk ontwikkeld voor chemicaliën', zegt Fiorella Pitaro. Waar bij chemicaliën vooral de molecuulstructuur de eigenschappen bepaalt, spelen bij materialen veel meer factoren een rol: de oppervlakte-eigenschappen, de vorm en grootte van de deeltjes, de manier van verwerking en nog veel meer. Een ander doel van de EMPA-wetenschappers is daarom om de bestaande SSbD-instrumenten zo verder te ontwikkelen dat ze ook op materialen kunnen worden toegepast.
Het doel van SSbD is om duurzame en veilige innovaties te bevorderen. 'Opdat de industrie, vooral ook MKB, het kan toepassen, moet het framework toegankelijker en eenvoudiger worden', aldus Peter Wick. De uitspraken die het doet over de veiligheid en duurzaamheid van onderzochte materialen en chemicaliën moeten daarbij toch zo betrouwbaar mogelijk zijn. Om deze tegenstrijdige eisen op één lijn te brengen, is nog meer onderzoek nodig – iets waaraan de EMPA-teams in verschillende projecten werken.
Wat betreft de veiligheid en duurzaamheid van grafeen, zijn de experts voorzichtig optimistisch. In veel gebieden en toepassingen lijkt het materiaal veiliger en duurzamer te zijn dan de tegenwoordig gebruikte koolstof-gebaseerde alternatieven. Maar dat is geen vrijbrief om het zonder beperkingen in de omgeving vrij te laten, waarschuwen ze. 'We weten nog niet alles', zegt EMPA-onderzoeker Wick.