Menavigasi Labirin Graphene: Kesehatan, Lingkungan, dan Inovasi

Inisiatif penelitian UE terbesar yang pernah diluncurkan telah berakhir dengan sukses: Graphene Flagship secara resmi selesai pada akhir tahun lalu. Para peneliti Empa juga terlibat, begitu pula ahli biologi molekuler Peter Wick, yang merupakan bagian dari paket kerja Kesehatan dan Lingkungan sejak awal – dan baru saja merangkum temuan-temuan di bidang ini bersama rekan-rekan internasional dalam sebuah artikel tinjauan komprehensif di jurnal spesialis. ACS Nano.

Berpikirlah besar. Terlepas dari topik penelitiannya, ini mungkin merupakan moto dari Graphene Flagship, yang diluncurkan pada tahun 2013: Dengan anggaran keseluruhan sebesar satu miliar Euro, ini adalah inisiatif penelitian terbesar di Eropa hingga saat ini, bersama dengan Human Brain Flagship, yang diluncurkan pada tahun 2013. waktu yang sama. Hal yang sama berlaku untuk artikel tinjauan dampak graphene dan materi terkait kesehatan dan lingkungan, yang baru saja diterbitkan oleh peneliti Empa Peter Wick dan Tina Bürki bersama 30 rekan internasional di jurnal ilmiah ACS Nano; di halaman 57, mereka merangkum temuan mengenai risiko kesehatan dan ekologi dari bahan graphene, daftar referensi mencakup hampir 500 publikasi asli.

Kekayaan pengetahuan – yang juga memberikan segalanya dengan jelas. “Kami telah menyelidiki potensi efek akut dari berbagai bahan mirip graphene dan graphene pada paru-paru, saluran pencernaan, dan plasenta – dan tidak ada efek akut serius yang merusak sel yang diamati dalam penelitian mana pun,” kata Wick, merangkum hasilnya. Meskipun reaksi stres pasti dapat terjadi pada sel paru-paru, namun jaringan tersebut pulih lebih cepat. Namun, beberapa bahan 2D yang lebih baru seperti boron nitrida, logam transisi dikalkogenida, fosfena, dan MXena (lihat kotak info) belum diselidiki secara luas, kata Wick; penyelidikan lebih lanjut diperlukan di sini.

Dalam analisisnya, Wick and Co. tidak membatasi diri pada material mirip graphene yang baru diproduksi, tetapi juga melihat keseluruhan siklus hidup berbagai aplikasi material yang mengandung graphene. Dengan kata lain, mereka menyelidiki pertanyaan-pertanyaan seperti: Apa yang terjadi jika bahan-bahan tersebut terkikis atau terbakar? Apakah partikel graphene terlepas dan dapatkah debu halus ini membahayakan sel, jaringan, atau lingkungan?

Salah satu contoh: Penambahan beberapa persen graphene ke polimer, seperti resin epoksi atau poliamida, secara signifikan meningkatkan sifat material seperti stabilitas mekanik atau konduktivitas, namun partikel abrasif tidak menyebabkan efek nanotoksik spesifik graphene pada sel dan jaringan yang diuji. . Tim Wick akan dapat melanjutkan penelitian ini bahkan setelah proyek andalannya berakhir, juga berkat pendanaan dari UE sebagai bagian dari proyek Spearhead, yang mana Wick merupakan perwakilannya.

Selain tim Wick, peneliti Empa yang dipimpin oleh Bernd Nowack telah menggunakan analisis aliran material sebagai bagian dari Graphene Flagship untuk menghitung potensi dampak lingkungan di masa depan dari material yang mengandung graphene dan memodelkan ekosistem mana yang paling mungkin terkena dampak dan sejauh mana. Tim Roland Hischier, seperti tim Nowack di laboratorium Teknologi dan Masyarakat Empa, menggunakan penilaian siklus hidup untuk menyelidiki kelestarian lingkungan dari berbagai metode produksi dan contoh penerapan untuk berbagai bahan yang mengandung graphene. Dan tim Roman Fasel dari laboratorium nanotech@surfaces Empa telah memajukan pengembangan komponen elektronik berdasarkan pita graphene sempit.

Kisah sukses Eropa dalam penelitian dan inovasi

Diluncurkan pada tahun 2013, Graphene Flagship mewakili bentuk penelitian bersama dan terkoordinasi yang benar-benar baru dalam skala yang belum pernah terjadi sebelumnya. Tujuan dari proyek berskala besar ini adalah untuk mempertemukan para peneliti dari lembaga penelitian dan industri untuk membawa aplikasi praktis berbasis graphene dari laboratorium ke pasar dalam waktu sepuluh tahun, sehingga menciptakan pertumbuhan ekonomi, lapangan kerja baru, dan peluang baru bagi Eropa pada umumnya. teknologi. Selama sepuluh tahun masa jabatannya, konsorsium ini terdiri dari lebih dari 150 tim peneliti akademis dan industri di 23 negara ditambah banyak anggota terkait.

September lalu, periode pendanaan sepuluh tahun diakhiri dengan Graphene Week di Gothenburg, Swedia. Laporan akhir secara mengesankan menunjukkan keberhasilan proyek ambisius dan berskala besar ini: The Flagship telah “menghasilkan” hampir 5.000 publikasi ilmiah dan lebih dari 80 paten. Ini telah menciptakan 17 spin-off di sektor graphene, yang telah mengumpulkan total lebih dari 130 juta Euro modal ventura. Menurut studi yang dilakukan oleh lembaga penelitian ekonomi Jerman WifOR, Graphene Flagship telah menghasilkan total nilai tambah sekitar 5,9 miliar Euro di negara-negara yang berpartisipasi dan menciptakan lebih dari 80,000 lapangan kerja baru di Eropa. Ini berarti dampak Graphene Flagship 10 kali lebih besar dibandingkan proyek-proyek UE yang lebih pendek.

Peneliti Empa, Peter Wick, terlibat dalam “Paket Kerja Kesehatan dan Lingkungan” sejak awal. Kredit: Empa

Selama proyek berlangsung, Empa menerima total pendanaan sekitar tiga juta franc Swiss – yang memiliki efek “katalitik”, seperti yang ditekankan oleh Peter Wick: “Kami telah melipatgandakan jumlah ini melalui proyek-proyek lanjutan yang berjumlah sekitar 5,5 juta franc Swiss. franc, termasuk proyek-proyek UE selanjutnya, proyek-proyek yang didanai oleh Swiss National Science Foundation (SNSF) dan proyek-proyek kerjasama langsung dengan mitra industri kami – dan semua ini dalam lima tahun terakhir.”

Namun manfaat dari proyek-proyek ini jauh lebih besar daripada pendanaannya, Wick menekankan: “Sungguh unik untuk terlibat dalam proyek sebesar ini dan jaringan yang luas dalam jangka waktu yang lama. Di satu sisi, hal ini telah melahirkan banyak kolaborasi dan ide-ide baru untuk proyek-proyek. Di sisi lain, bekerja sama dengan mitra internasional dalam jangka waktu yang lama memiliki kualitas yang sangat berbeda, kami saling percaya hampir secara membabi buta; dan tim yang terkoordinasi dengan baik akan jauh lebih efisien dan menghasilkan hasil ilmiah yang lebih baik,” yakin Wick. Terakhir, banyak persahabatan pribadi yang terbentuk.

Dimensi baru: graphene dan material 2D lainnya

Graphene adalah bahan yang sangat menjanjikan. Ia terdiri dari satu lapisan atom karbon yang tersusun dalam pola sarang lebah dan memiliki sifat luar biasa: kekuatan mekanik yang luar biasa, fleksibilitas, transparansi, serta konduktivitas termal dan listrik yang luar biasa. Jika materi yang sudah dua dimensi dibatasi secara spasial, misalnya menjadi pita sempit, maka efek kuantum yang dapat dikontrol dapat tercipta. Hal ini dapat memungkinkan berbagai aplikasi, mulai dari konstruksi kendaraan dan penyimpanan energi hingga komputasi kuantum.

Untuk waktu yang lama, “bahan ajaib” ini hanya ada dalam teori. Baru pada tahun 2004 fisikawan Konstantin Novoselov dan Andre Geim di Universitas Manchester mampu secara khusus memproduksi dan mengkarakterisasi graphene. Untuk melakukan ini, para peneliti menghilangkan lapisan grafit dengan selotip hingga hanya tersisa satu serpihan atom tebal. Mereka dianugerahi Hadiah Nobel Fisika untuk pekerjaan ini pada tahun 2010.

Sejak itu, graphene telah menjadi subjek penelitian intensif. Sementara itu, para peneliti telah menemukan lebih banyak material 2D, seperti graphene, yang berasal dari graphene kecut, graphene oxide, dan cyanographs, yang memiliki aplikasi dalam pengobatan. Para peneliti ingin menggunakan bahan 2D anorganik seperti boron nitrida atau MXenes untuk membuat baterai lebih bertenaga, mengembangkan komponen elektronik, atau menyempurnakan bahan lainnya.

Referensi: “Dampak Lingkungan dan Kesehatan dari Grafena dan Bahan Dua Dimensi Lainnya: Perspektif Unggulan tentang Grafena” oleh Hazel Lin, Tina Buerki-Thurnherr, Jasreen Kaur, Peter Wick, Marco Pelin, Aurelia Tubaro, Fabio Candotto Carniel, Mauro Tretiach, Emmanuel Flahaut, Daniel Iglesias, Esther Vazquez, Giada Cellot, Laura Ballerini, Valentina Castagnola, Fabio Benfenati, Andrea Armirotti, Antoine Sallustrau, Frederic Taran, Mathilde Keck, Cyrill Bussy, Sandra Vranic, Kostas Kostarelos, Mona Connolly, Jose Maria Navas, Florence Mouchet, Laury Gauthier, James Baker, Blanca Suarez-Merino, Tomi Kanerva, Maurizio Prato, Bengt Fadeel dan Alberto Bianco, 13 Februari 2024, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.3c09699