Vývoj řešení na bázi grafenu je pravděpodobnější, protože dopad na zdraví se zdá být minimální.

Grafen způsobil revoluci ve světě vědy: ve světě bylo registrováno více než 50 tisíc patentů s tímto materiálem, více než 50 % z nich patří Číně. Používá se téměř ve všech oblastech pro zlepšení vlastností materiálu. Hi-Tech se dívá na to, jak grafen přebírá naše životy a jak změní budoucnost.

Grafen se používá v elektronice, čištění vody, lékařství a dokonce i při výrobě solárních panelů.

<strong>Co je grafen a jaké jsou jeho vlastnosti?</strong>

Grafen je látka vyrobená z čistého uhlíku, z níž se vyrábí pláty o tloušťce jednoho atomu. Grafen je 200krát pevnější než ocel a je pružný jako guma. Navíc efektivně vede elektřinu a teplo.

Grafen není přírodní látka. Fyzici teoreticky popsali jeho vlastnosti již v 1960. letech 2004. století, ale poprvé byl získán až v roce XNUMX. V době, kdy vznikal grafen, byly jeho výrobní metody velmi drahé, ale výzkumníkům se daří snižovat náklady. Proto se grafen chystá využít ve velkém množství oblastí: v medicíně, elektronice pro výrobu výpočetní techniky a dalších.

Dvojná vazba mezi atomy uhlíku v kombinaci s tenkou atomovou tloušťkou vysvětluje speciální vlastnosti grafenu. Má se za to, že jeho schopnost účinně vést elektřinu a teplo je způsobena malými a silnými uhlíkovými vazbami.

<strong>Jaká je výhoda grafenu?</strong>

Grafen lze použít jako surovinu pro výrobu široké škály produktů. Hlavními výhodami materiálu je, že má vysokou vodivost – 200krát více než křemík, také účinně vede teplo a je dostatečně tenký, aby byl považován za dvourozměrný materiál.

Grafen je průhledný, pevný, lehký, pružný a stále si zachovává vodivost.

<strong>Je grafen zdraví nebezpečný?</strong>

Záleží na způsobu jeho výroby. V bioelektronice se dnes používá vysoce kvalitní grafen získaný chemickým napařováním. V tomto případě nemůže být materiál toxický, protože neinteraguje s buňkami.

Vědci také provedli práci, při které pěstovali buňky na grafenu a na obyčejném skle. Ukázalo se, že rostly mnohem aktivněji na grafenu, kvůli jeho biokompatibilitě.

<strong>Kde se již grafen používá?</strong>

Grafen se aktivně používá v elektronice. Fyzici z MIT vytvořili supravodič na bázi grafenu, který funguje i v silných magnetických polích. Tento objev bude použit k vytvoření supervýkonných MRI systémů a kvantových počítačů, které jsou dokonale chráněny před rušením.

Grafen lze také použít místo india, což je vzácný prvek používaný v senzorových zařízeních. Vědci vytvořili OLED zařízení z grafenu a zjistili, že funguje stejně efektivně jako jeho protějšky vyrobené z oxidu india a cínu.

Vědci z MIT vyrobili ultratenký materiál z bílého grafenu pro optimální ukládání paměti. Vývojáři poznamenávají, že zařízení funguje stabilně i po nějaké době. Je třeba poznamenat, že tloušťka materiálu je několik nanometrů.

Tým vědců z USA vytvořil hardwarové bezpečnostní zařízení z grafenu. Vývojáři poznamenávají, že díky fyzikálním a elektrickým vlastnostem grafenu se zařízení stalo energeticky účinnějším a chráněným před útoky AI.

<strong>Kde použijeme grafen v budoucnu?</strong>

V kapitole o toxicitě jsme již zmínili, že grafen je biokompatibilní, takže jednou z potenciálních oblastí jeho využití je medicína. Vědci tvrdí, že grafen by mohl pomoci diagnostikovat a léčit rakovinu. Existují plány na vytvoření čipu s grafenem, který poskytne zařízení zvýšenou citlivost.

Kdy se grafenová bioelektronika začne masově využívat, zatím nelze přesně říci. Vědci už v laboratořích testují neurozařízení, biosenzory a další projekty.

Další slibnou oblastí využití grafenu je výroba zelené energie. Například mezinárodní skupina vědců vyvíjí hybridní dvourozměrné struktury s grafenem a kvantovými tečkami. Chtějí vytvořit strukturu s ovladatelnými optickými a fotoelektrickými vlastnostmi. Plánuje se využití pro solární panely. Inženýři chtějí získat zařízení, které bude fungovat efektivněji než jeho analogy.

Jiní výzkumníci z MIT prokázali, že pěnu z oxidu grafenu lze použít k filtraci uranu z pitné vody. V důsledku toho filtrovaná voda splnila normy EPA. Filtrace trvala několik hodin. Je třeba poznamenat, že pěna může být znovu použita.

Vědci z USA vyrobili oblečení z oxidu grafenu: dokáže ochránit majitele před hmyzem. Podle vědců se komáři nemohou prokousat výsledným materiálem. Hmyzí proboscis totiž neprojde ani nejtenčí vrstvou grafenu a materiál nepřenáší chemické signály, podle kterých komáři identifikují kořist.

Výroba grafenu je zatím stále nákladný proces a složitá elektronická zařízení s přídavkem tohoto materiálu jsou vyráběna ručně. Také jeho výroba ještě nebyla zavedena, takže grafen se selektivně používá v různých oborech.

Číst dále:

Securities.io není investičním poradcem a neposkytuje investiční, finanční ani obchodní poradenství. Securities.io nedoporučuje kupovat, prodávat nebo držet jakékoli cenné papíry. Proveďte vlastní due diligence a před jakýmkoli investičním rozhodnutím se poraďte s finančním poradcem.

obsah

Grafen se svým obrovským potenciálem představuje významný průlom ve vědě o materiálech. Grafen, extrahovaný z grafitu, krystalické formy uhlíku, je velmi důležitý materiál, nikoli prvek. Většinou ho najdete v tužce.

Grafen je nejtenčí materiál s tloušťkou pouhého jednoho atomu a vyniká svou lehkostí, pružností a pevností. Jeho odolnost je 200krát vyšší než u oceli a jeho tloušťka je tisíckrát tenčí než u lidského vlasu.

Tento unikátní materiál je pětkrát lehčí než hliník, třikrát lehčí než ocel a má různé vlastnosti. Patří mezi ně schopnost absorbovat světlo a také vysoká elektrická a tepelná vodivost, což otevírá cestu pro inovace v různých odvětvích.

V elektronickém průmyslu vysoká vodivost grafenu výrazně prodlužuje životnost baterie a zkracuje dobu nabíjení, zlepšuje energetickou účinnost a odolnost zařízení a zároveň zabraňuje přehřívání. Jeho lehkost překonává jedno z hlavních omezení dronů: těžká výroba baterií pro ukládání energie.

Flexibilita a schopnost pohlcovat minimální množství světla z něj činí grafen ideální pro výrobu odolných obrazovek pro různá zařízení. Mezitím je jeho udržitelnost životně důležitou součástí pokroku v odvětví osvětlení.

Ve stavebnictví grafen zlepšuje izolaci budov a poskytuje odolnost proti vlhkosti, korozi a ohni, čímž pomáhá zlepšit tepelnou regulaci v domácnostech. Proto může být skutečně užitečný v sektoru obnovitelné energie, protože vyrobí více energie, než se v současnosti vyrábí. Mezitím ve zdravotnictví by to mohlo pomoci vytvořit lehčí sluchadla, stejně jako kosti a svaly prostřednictvím operace.

Potenciální aplikace grafenu zahrnují také tranzistory, antény, počítačové čipy, superkondenzátory, sekvenování DNA, vodní filtry a solární články.

Vzhledem k různým vlastnostem grafenu a jeho potenciálu způsobit revoluci v mnoha různých odvětvích vědecká komunita grafen bedlivě sleduje. Výzkumníci a společnosti po celém světě studují a experimentují s tímto materiálem.

Právě tento týden ve studii fyzici z MIT objevili „frakční kvantový anomální Hallův efekt“ v grafenu. Frakční kvantový Hallův jev je extrémně vzácný jev, který, pokud by byl řízen, by mohl pomoci vytvořit kvantové počítače odolné proti chybám.

Tento efekt byl pozorován jen párkrát a pak většinou ve velmi silných, pečlivě udržovaných magnetických polích. Tentokrát byl ale efekt pozorován u materiálu, kde to vědci nečekali, a navíc bez magnetického pole. Tento objev má důležité důsledky pro základní fyziku. To pravděpodobně připraví cestu pro novou formu kvantového počítání, která je výrazně odolnější vůči interferenci.

V další studii vědci identifikovali novou metodu syntézy oxidu grafenu (GO), který je dispergovatelný v rozpouštědlech. Nová metoda kombinovala kyselinu z Hummersovy metody a oxidační činidlo z Brodieho metody k výrobě GO jednoduchým, ale bezvadným způsobem.

Přestože má grafen enormní potenciální aplikace, zatím se příliš nevyužívá a stále se zkoumá. Omezený objem výroby, vysoké náklady a zdravotní rizika jsou největšími faktory omezujícími přijetí grafenu. Jeden z těchto faktorů však nemusí být tak limitující.

Testy na lidech ukazují, že inhalace grafenu je bezpečná

Grafen poprvé izolovali vědci Andre Geim a Konstantin Novoselov v roce 2004, za což dostali v roce 2010 Nobelovu cenu za fyziku. Grafen, oslavovaný jako „zázračný materiál“, byl studován po celém světě, včetně zdravotnictví, pomocí implantovatelných zařízení a senzorů.

Ve zdravotnictví se materiál zkoumá také pro cílenou terapii proti nemocem, jako je rakovina. Ale samozřejmě, než bude možné materiál použít pro lékařské účely, musí být otestován na možné vedlejší účinky. A nedávná studie naznačuje, že určitý typ grafenu lze inhalovat bez vážného rizika pro lidské zdraví.

Tato klinická studie, která zahrnovala první kontrolovanou expozici, použila tenkou, ultračistou, vodu kompatibilní formu materiálu, oxid grafenu (GO).

Grafen je dvourozměrný nanomateriál složený z jedné nebo více vrstev uhlíkové mřížky a jeho oxidovaná forma se ukázala jako slibná v biomedicínských vědách díky své kompatibilitě s krevními buňkami, hydrofilitě, velkému povrchu pro chemickou funkcionalizaci a přiměřené koloidní stabilitě v biologicky relevantních roztocích. . Pro membránové aplikace jsou studovány zejména vrstvené materiály z oxidu grafenu. Existují však omezené a protichůdné toxikologické údaje o oxidu grafenu.

Jak je uvedeno ve studii, ačkoli jsou nanomateriály oxidu grafenu vyvíjeny pro široké použití, jsou spojeny s potenciálními bezpečnostními obavami pro lidské zdraví. V důsledku toho tým provedl dvojitě zaslepenou, randomizovanou kontrolovanou studii, aby zjistil, jak vdechování tohoto materiálu ovlivňuje akutní funkce našich plic a krevních cév.

Vysoce purifikované, tenké GO materiály bez kovů a endotoxinů byly syntetizovány modifikovanou Hummersovou metodou. GO nanovrstvy (2D nanostruktury s tloušťkami od 1 do 100 nm) měly dobře definovanou velikost a byly bez elementárních kontaminantů. Studie používala dva laterální rozměry: malý GO (s-GO) a ultra malý GO (us-GO).

Studie se zúčastnilo více než tucet dobrovolníků, kteří byli podrobeni pečlivě kontrolované expozici, která zahrnovala vdechování materiálu přes masku. Účastníci inhalovali oxid grafenu po dobu dvou hodin při jízdě na kole ve speciálně navržené mobilní expoziční komoře. O několik týdnů později se dobrovolníci vrátili na druhou kontrolovanou expozici. Tentokrát se výzkum zaměřil na experimenty s částicemi oxidu grafenu různých velikostí.

14 mladých zdravých dobrovolníků tak při opakovaných návštěvách inhalovalo malé i extrémně malé nanovrstvy GO v koncentraci 200 μg m-3 (mikrogramy na metr krychlový vzduchu). Skutečná koncentrace s-GO byla 214 ± 23 μg m-3 a koncentrace us-GO byla 224 ± 17 μg m-3, které byly udržovány na konstantní úrovni po dobu dvou hodin.

Maximální využití nanotechnologií

Studie měřila účinky materiálu na funkci plic, srážlivost krve, krevní tlak a zánět v krvi před expozicí a ve dvouhodinových intervalech.

Vědci nezjistili žádné negativní účinky materiálu na krevní tlak nebo funkci plic. Neměl žádné nežádoucí reakce na jiné sledované biologické parametry. Poznamenali však, že vdechování oxidu grafenu může ovlivnit srážení krve, ale zdůraznili, že účinek je velmi malý.

Pokud jde o vysoce obohacenou krevní proteomickou analýzu, ukázala velmi málo diferenciálních plazmatických proteinů, zatímco tvorba trombu byla pouze mírně zvýšena v modelu arteriálního poškození ex vivo.

Výzkum podle profesora Costase Costarelose z Manchesterské univerzity a Katalánského institutu nanovědy a nanotechnologie (ICN2) v Barceloně dokazuje, že čisté formy oxidu grafenu lze dále rozvíjet a zároveň minimalizovat riziko pro lidské zdraví. Poznamenal:

„Trvalo nám více než deset let, než jsme získali znalosti pro tento výzkum z hlediska materiálové vědy a biologie, stejně jako klinické schopnosti bezpečně provádět tyto kontrolované studie.“

Studii provedli vědci z univerzit v Edinburghu a Manchesteru s financováním od UKRI EPSRC a British Heart Foundation. Vědci tvrdí, že je zapotřebí další práce, aby se zjistilo, zda vyšší dávky různých forem grafenu budou mít různé zdravotní účinky. Výzkumný tým má také zájem zjistit, zda dlouhodobá expozice oxidu grafenu způsobí další zdravotní rizika.

Zatímco nanomateriály, jako je grafen, jsou velkým příslibem, je třeba zajistit, „aby byly vyráběny bezpečným způsobem, než budou moci být v našich životech široce používány,“ řekl Dr Mark Miller (BSc, PhD), vedoucí výzkumný pracovník Centra pro kardiovaskulární vědu University of Edinburgh. Studium bezpečnosti grafenu u lidí nám pomůže pochopit, jak může tento jedinečný materiál ovlivnit tělo, a „s pečlivým designem můžeme bezpečně využít nanotechnologii na její maximální potenciál,“ dodal.

Pokud jde o omezení studie, vědci poznamenali, že pouze identifikovala změny biologických parametrů na základě jejich předchozí práce s nanočásticemi výfukových plynů z dieselových motorů a počet účastníků nemusel být dostatečně velký, aby detekoval jemnější účinky inhalace EG.

Kromě toho vědci zvolili dávkování specificky, aby se vyhnuli zjevným fyziologickým účinkům, což naznačuje, že vyšší koncentrace GO nebo delší trvání expozice mohou odhalit účinky, které nebyly v této studii pozorovány. Navíc nemožnost prodloužit studii nad 6 hodin znamenala, že pravděpodobně vynechala některé zánětlivé dráhy.

Studie však jasně ukazuje, že vdechování ultračištěných a tenkých nanovrství oxidu grafenu, které mají velikost nanometrů, zdravé lidi neovlivňuje. Pokládá tak základ pro zkoumání účinků dalších dvourozměrných nanomateriálů (ploché, nesférické látky s jedním rozměrem

Tento výzkum otevírá dveře k vývoji nových metod podávání léků k léčbě nemocí. Při navrhování optimalizovaného systému podávání léků je cílem dodávat terapeutické látky řízeným způsobem při minimalizaci vedlejších účinků na zdravé tkáně.

To je jistě důležitý krok ke komplexnímu posouzení rizik grafenu a 2D nanomateriálů, které mají potenciál vyřešit mnoho globálních problémů, a přijmout bezpečný přístup k návrhu, aby se využil skutečný potenciál tohoto jedinečného materiálu.

Společnosti zkoumající grafen

Řešení založená na grafenu mohou přinést velké výhody mnoha odvětvím a mnoha společnostem, jako jsou mimo jiné Tesla, Samsung, Lockheed Martin, Ford, Intel a 3M. Nyní se podívejme na společnosti, které studují grafen a vyvíjejí řešení na něm založená:

# 1. Grafen

Společnost Graphenea, přední výrobce materiálů na bázi grafenu, nabízí vysoce kvalitní grafen pro výzkum a průmyslové aplikace. Portfolio společnosti tvoří oxid grafenu, čipy grafenového tranzistoru s efektem pole (GFET), CVD grafenové filmy a služby výroby grafenu (GFAB).

Mezitím seznam produktů společnosti Graphenea zahrnuje kartu Graphenea Card a také mGFET-4D a mGEFD-4P pro senzorové aplikace. Společnost je partnerem vlajkové lodi Graphene, největší koordinované výzkumné iniciativy v Evropě s rozpočtem 1 miliardy EUR.