Grafeeni on materiaalitieteen todellinen ihmelapsi. Tässä hiilen muodossa atomit järjestäytyvät kaksiulotteisiksi kerroksiksi, mikä antaa grafeenille edullisia ominaisuuksia: Se on sähkönjohtava, lähes läpinäkyvä ja sillä on korkea vetolujuus. Siksi materiaalia on syntetisoimisen jälkeen tutkittu innokkaasti vuodesta 2004 alkaen, myös Empassa. Sen vaikutuksia ihmisiin ja ympäristöön on tutkittu perusteellisesti EU:n "Graphene Flagship" -projektissa, johon myös Empa osallistui.
Nyt Empa-tutkijat menevät askeleen pidemmälle ja soveltavat "Turvallinen ja kestävä suunnittelun perusteella" -periaatetta (SSbD) tähän uuteen materiaaliin. "Grafeeni on hyvä esimerkki, koska siitä on jo olemassa monia tutkimuksia ja tietoa", selittää Peter Wick, joka johtaa Empan "Nanomaterials in Health" -laboratoriota. "Myös me olemme "Graphene Flagship" -projektin puitteissa työskennelleet tämän materiaalin parissa kymmenen vuotta."
Tutkija jatkaa selittäen, että SSbD-konseptin perusideat eivät ole uusia: grafeenin turvallisuus ja kestävyys olivat jo keskeinen aihe Flagship-projektissa. Uutta on näiden teemojen yhdistäminen "SSbD-viitekehykseen", jonka tarkoituksena on mahdollistaa teollisuudelle kestäviä ja turvallisia innovaatioita.
Empa-tutkijat pyrkivät näin ollenkin (ei vain) selvittämään, onko grafeeni sinänsä turvallinen ja kestävä. "Halusimme hyödyntää hyviä tietoja testataksemme SSbD-viitekehystä ja selvittää, missä ja miten sitä voidaan edelleen kehittää ja yksinkertaistaa", selittää Empa-tutkija Fiorella Pitaro "Teknologia ja yhteiskunta" -osastolta.
Yksi nimi, monia materiaaleja
Tehtävä on monimutkainen: Vilkkaan tutkimuksen ja kehityksen seurauksena puhtaaseen grafeeniin on viimeisten kahden vuosikymmenen aikana liittynyt koko joukko sukulais tuotteita, niin kutsuttuja grafeenin kaltaisia materiaaleja. On olemassa puhdasta grafeenia, mutta myös grafeenioksidia, pelkistettyä grafeenioksidia, "Few-Layer-Graphenea", joka koostuu useista kerroksista, ja monia muita. Edes nämä termit eivät aina ole yksiselitteisiä ja voivat itsessään tarkoittaa useita hieman erilaisia materiaaleja.
Tämä moninaisuus on haaste, mutta myös etu SSbD:n soveltamisessa. "Voimme verrata tietoja kullekin näistä materiaaliluokista ja tehdä johtopäätöksiä siitä, kuinka tietynlaisen variantin vahinkopotentiaali liittyy sen rakenteeseen", selittää Wick. "Koska niillä on usein samanlaisia toiminnallisuuksia, voidaan ihannetapauksessa käyttää grafeenin turvallisinta muotoa kussakin sovelluksessa."
Myös tapa, jolla materiaali päätyy ihmisen kehoon, on ratkaiseva tekijä turvallisuudesta tehtävissä arvioissa: Hengitetäänkö se sisään tai pistetäänkö se suoraan verenkiertoon osana lääkettä? Kulkeutuuko se ruoansulatusjärjestelmäämme ravintoketjun kautta, tai käytetäänkö sitä iholle? "Jotta riski ihmiselle voidaan luotettavasti arvioida, meidän on tiedettävä materiaalin sovellus", Wick sanoo. Sillä sovellus määrittää, tapahtuuko altistuminen, ja jos kyllä, miten ja millä määrillä.
Saavutettava ja luotettava
"Työkalut ja mallit, joita voidaan käyttää SSbD-viitekehyksessä arviointiin, kehitettiin pääasiassa kemikaaleille", sanoo Fiorella Pitaro. Vaikka kemikaalien kohdalla ensisijaisesti molekyylirakenne määrittää ominaisuudet, materiaaleissa huomioidaan huomattavasti enemmän tekijöitä: pinnan ominaisuudet, partikkelien muoto ja koko, käsittelytapa ja paljon muuta. Empa-tutkijoiden toinen tavoite on siksi kehittää olemassa olevia SSbD-työkaluja edelleen siten, että niitä voidaan soveltaa myös materiaaleihin.
SSbD:n tavoite on edistää kestäviä ja turvallisia innovaatioita. "Jotta teollisuus, erityisesti pk-yritykset, voivat käyttää sitä, on viitekehys tehtävä vielä saavutettavammaksi ja yksinkertaisemmaksi", sanoo Peter Wick. Sen esittämien väittämät koskien tutkittujen materiaalien ja kemikaalien turvallisuutta ja kestävyyttä tulisi tästä huolimatta olla mahdollisimman luotettavia. Näiden ristiriitaisten vaatimusten samanaikaisesti täyttämiseksi vaaditaan vielä lisää tutkimusta – ja juuri siihen Empaan tiimit panostavat erilaisissa projekteissa.
Grafeenin turvallisuuden ja kestävyyden osalta asiantuntijat ovat varovaisen optimistisia. Monilla aloilla ja sovelluksissa materiaali vaikuttaa turvallisemmalta ja kestävämmältä kuin nykyään käytetyt hiilipohjaiset vaihtoehdot. Tämä ei kuitenkaan ole lupa päästää sitä ympäristöön rajoituksetta, he varoittavat. "Emme vielä tiedä kaikkea", Empa-tutkija Wick sanoo.