ניווט במבוך הגרפן: בריאות, סביבה וחדשנות

יוזמת המחקר הגדולה ביותר של האיחוד האירופי שהושקה אי פעם הגיעה לסיומה מוצלח: ספינת הדגל של הגרפן הסתיימה רשמית בסוף השנה שעברה. גם חוקרי Empa היו מעורבים, כמו הביולוג המולקולרי פיטר וויק, שהיה חלק מחבילת העבודה הבריאות והסביבה מההתחלה – וזה עתה סיכם את הממצאים בתחום זה עם עמיתים בינלאומיים במאמר סקירה מקיף בכתב העת המומחה ACS Nano.

תחשוב בגדול. למרות נושא המחקר שלה, זה בהחלט יכול להיות המוטו של ספינת הדגל גרפן, שהושקה ב-2013: עם תקציב כולל של מיליארד אירו, זו הייתה יוזמת המחקר הגדולה ביותר באירופה עד כה, לצד ספינת הדגל של המוח האנושי, שהושקה ב- אותו זמן. כך גם לגבי מאמר הסקירה על ההשפעות של גרפן וחומרים קשורים בנושאי בריאות וסביבה, שחוקרי Empa פיטר וויק וטינה בורקי פרסמו זה עתה יחד עם 30 עמיתים בינלאומיים בכתב העת המדעי ACS Nano; על 57 עמודים, הם מסכמים את הממצאים על הסיכונים הבריאותיים והאקולוגיים של חומרי גרפן, רשימת ההתייחסות כוללת כמעט 500 פרסומים מקוריים.

שפע של ידע – שגם נותן את הכל ברור. "חקרנו את ההשפעות האקוטיות הפוטנציאליות של חומרים שונים דמויי גרפן וחומרים דמויי גרפן על הריאות, במערכת העיכול ובשליה – ולא נצפו השפעות חריפות חמורות של פגיעה בתאים באף אחד מהמחקרים", אומר וויק, מסכם התוצאות. למרות שתגובות מתח בהחלט יכולות להתרחש בתאי ריאה, הרקמה מתאוששת די מהר. עם זאת, חלק מהחומרים הדו-ממדיים החדשים יותר כגון בורון ניטרידים, דיכאלקוגנידים מתכת מעבר, פוספינים ו-MXenes (ראה תיבת מידע) עדיין לא נחקרו הרבה, מציין וויק; כאן נדרשו חקירות נוספות.

בניתוחים שלהם, Wick ושות' לא הגבילו את עצמם לחומרים דמויי גרפן שיוצרו לאחרונה, אלא גם בחנו את כל מחזור החיים של יישומים שונים של חומרים המכילים גרפן. במילים אחרות, הם חקרו שאלות כמו: מה קורה כאשר החומרים הללו נשחקים או נשרפים? האם משתחררים חלקיקי גרפן והאם האבק העדין הזה יכול להזיק לתאים, רקמות או הסביבה?

דוגמה אחת: תוספת של כמה אחוזי גרפן לפולימרים, כגון שרפים אפוקסיים או פוליאמידים, משפרת משמעותית את תכונות החומר כגון יציבות מכנית או מוליכות, אך חלקיקי השחיקה אינם גורמים לאף השפעה ננו-טוקסית ספציפית לגרפן על התאים והרקמות שנבדקו. . הצוות של וויק יוכל להמשיך במחקר הזה גם לאחר שפרויקט הדגל יגיע לסיומו, גם הודות למימון מהאיחוד האירופי במסגרת מה שנקרא פרויקטים של Spearhead, שוויק הוא סגן ראשם.

בנוסף לצוות של Wick, חוקרי Empa בראשות ברנד נובק השתמשו בניתוחי זרימת חומרים כחלק מספינת הדגל של גרפן כדי לחשב את ההשפעה הסביבתית העתידית הפוטנציאלית של חומרים המכילים גרפן, ועשו מודל של אילו מערכות אקולוגיות צפויות להיות מושפעות ובאיזו מידה. הצוות של רולנד הישייר, כמו זה של Nowack במעבדת הטכנולוגיה והחברה של Empa, השתמש בהערכות מחזור חיים כדי לחקור את הקיימות הסביבתית של שיטות ייצור שונות ודוגמאות יישום עבור חומרים שונים המכילים גרפן. והצוות של רומן פאסל ממעבדת nanotech@surfaces של Empa קידם את הפיתוח של רכיבים אלקטרוניים המבוססים על סרטי גרפן צרים.

סיפור הצלחה אירופאי למחקר וחדשנות

ספינת הדגל גרפן, שהושקה ב-2013, ייצגה צורה חדשה לחלוטין של מחקר משותף ומתואם בקנה מידה חסר תקדים. מטרת הפרויקט בקנה מידה גדול הייתה להפגיש חוקרים ממוסדות מחקר ותעשייה כדי להביא יישומים מעשיים המבוססים על גרפן מהמעבדה לשוק בתוך עשר שנים, ובכך ליצור צמיחה כלכלית, מקומות עבודה חדשים והזדמנויות חדשות עבור אירופה. טכנולוגיות. במהלך עשר שנות חייו, הקונסורציום כלל יותר מ-150 צוותי מחקר אקדמיים ותעשייתיים ב-23 מדינות בתוספת מספר חברים קשורים.

בספטמבר האחרון, תקופת המימון בת עשר השנים הסתיימה עם שבוע הגרפן בגטבורג, שוודיה. הדו"ח הסופי מדגים בצורה מרשימה את הצלחת הפרויקט השאפתני בקנה מידה גדול: ספינת הדגל "הפיקה" כמעט 5,000 פרסומים מדעיים ויותר מ-80 פטנטים. היא יצרה 17 ספין-אופים במגזר הגרפן, שגייסו סך של יותר מ-130 מיליון יורו בהון סיכון. על פי מחקר של מכון המחקר הכלכלי הגרמני WifOR, ספינת הדגל של גרפן הובילה לערך מוסף כולל של כ-5.9 מיליארד יורו במדינות המשתתפות ויצרה יותר מ-80,000 מקומות עבודה חדשים באירופה. המשמעות היא שההשפעה של ספינת הדגל של גרפן גדולה יותר מפי 10 מפרויקטים קצרים יותר של האיחוד האירופי.

במהלך הפרויקט, Empa קיבלה סך של כשלושה מיליון פרנק שוויצרי במימון – שהיה לו אפקט "קטליטי", כפי שמדגיש פיטר וויק: "שילשנו בערך את הסכום הזה באמצעות פרויקטי המשך בהיקף של כ-5.5 מיליון שוויצרים. פרנקים, כולל פרויקטים נוספים של האיחוד האירופי, פרויקטים הממומנים על ידי הקרן הלאומית למדע השוויצרית (SNSF) ופרויקטי שיתוף פעולה ישירים עם השותפים התעשייתיים שלנו – וכל זה בחמש השנים האחרונות".

אבל היתרון של פרויקטים כאלה חורג הרבה מעבר למימון הנדיב, מדגיש וויק: "זה באמת ייחודי להיות מעורב בפרויקט כה גדול וברשת רחבה לאורך תקופה כה ארוכה. מצד אחד, זה הביא למספר רב של שיתופי פעולה חדשים ורעיונות לפרויקטים. מצד שני, לעבודה משותפת עם שותפים בינלאומיים לאורך תקופה כה ארוכה יש איכות שונה לחלוטין, אנחנו סומכים זה על זה כמעט בעיוורון; וצוות מתואם כזה הוא הרבה יותר יעיל ומפיק תוצאות מדעיות טובות יותר", משוכנע וויק. אחרון חביב, נוצרו חברויות אישיות רבות.

מימד חדש: גרפן וחומרים דו מימדיים אחרים

גרפן הוא חומר מבטיח ביותר. הוא מורכב משכבה אחת של אטומי פחמן המסודרים בתבנית חלת דבש ויש לו תכונות יוצאות דופן: חוזק מכני יוצא דופן, גמישות, שקיפות ומוליכות תרמית וחשמלית יוצאת דופן. אם החומר הדו-ממדי כבר מוגבל מרחבית אפילו יותר, למשל לתוך סרט צר, ניתן ליצור אפקטים קוונטיים ניתנים לשליטה. זה יכול לאפשר מגוון רחב של יישומים, החל מבניית רכב ואחסון אנרגיה ועד מחשוב קוונטי.

במשך זמן רב, "חומר הנס" הזה היה קיים רק בתיאוריה. רק בשנת 2004 הצליחו הפיזיקאים קונסטנטין נובוסלוב ואנדרה גיים מאוניברסיטת מנצ'סטר לייצר ולאפיין גרפן באופן ספציפי. כדי לעשות זאת, החוקרים הסירו שכבות של גרפיט עם חתיכת סרט דבק עד שהיו להם פתיתים אחד בלבד אָטוֹם עבה. הם זכו בפרס נובל לפיזיקה על עבודה זו בשנת 2010.

מאז, גרפן היה נושא למחקר אינטנסיבי. בינתיים, חוקרים גילו חומרים דו מימדיים נוספים, כמו גרפן שמקורו בגרפן חוּמצָה, תחמוצת גרפן וציאנוגרפים, שיכולים להיות להם יישומים ברפואה. חוקרים רוצים להשתמש בחומרים דו-ממדיים אנאורגניים כמו בורון ניטריד או MXenes כדי לבנות סוללות חזקות יותר, לפתח רכיבים אלקטרוניים או לשפר חומרים אחרים.