Review aus zehnjährigem Graphen-Großprojekt Wie gefährlich ist Graphen? Toxische Effekte des 2D-Materials untersucht

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Wenn 1.000 Wissenschaftler zehn Jahre lang forschen, kommt einiges an Erkenntnissen zusammen. In dem EU-Großprojekt Graphene Flagship haben die Kollaborateure u. a. untersucht, welche Gesundheitsgefahren von dem 2D-Material Graphen ausgehen. Ein erster Review-Artikel vereint zentrale Ergebnisse nun auf 60 Seiten.

Mit einem Budget von insgesamt einer Milliarde Euro startete 2013 Europas größte Forschungsinitiative mit dem passenden Titel „Graphene Flagship“. Ende 2023 ist dieses Großprojekt abgeschlossen worden und hat nun einen ersten Review-Artikel im Fachjournal ACS Nano erhalten (s. Originalpublikation am Ende des Textes), in dem die Autoren auf knapp 60 Seiten die erarbeiteten Erkenntnisse zu den gesundheitlichen und ökologischen Risiken von Graphen-Materialien zusammenfassen. Die Referenzliste umfasst knapp 500 Originalveröffentlichungen.

Die gute Nachricht gleich vorweg: In Bezug auf eventuelle Gesundheitsgefahren durch Graphen geben die Forscher vorsichtig Entwarnung. „Wir haben die möglichen akuten Wirkungen von verschiedenen Graphenen und Graphen-ähnlichen Materialien an Lunge, im Magen-Darm-Trakt und in der Plazenta untersucht – und in allen Studien keine schwerwiegenden akuten zellschädigenden Effekte beobachtet“, fasst Peter Wick von der Empa die Ergebnisse zusammen. In Zellen der Lunge könnten zwar durchaus Stressreaktionen auftreten, aber das Gewebe erhole sich relativ rasch wieder. Einige der neueren „2D-Materialien“ wie Bornitride, Übergangsmetall-Dichalkogenide, Phosphorene und MXene (s. Kasten unten) seien allerdings noch wenig erforscht, ergänzt Wick; hier seien weitere Untersuchungen nötig.

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Toxikologische Untersuchung von Graphen

In ihren Analysen haben sich Wick und Co. nicht nur auf neu hergestellte Graphen-ähnliche Materialien beschränkt, sondern den gesamten Lebenszyklus verschiedener Anwendungen von Graphen-haltigen Materialien unter die Lupe genommen. Also Fragen untersucht wie: Was passiert beim Abrieb oder beim Verbrennen dieser Materialien? Werden dabei Graphen-Teilchen freigesetzt, und kann dieser Feinstaub Zellen, Gewebe oder die Umwelt schädigen?

Ein Beispiel: Die Zugabe von einigen wenigen Prozent Graphen zu Polymeren, etwa Epoxidharze oder Polyamide, verbessert Materialeigenschaften wie mechanische Stabilität oder Leitfähigkeit deutlich, die Abriebpartikel verursachen aber keinen Graphen-spezifischen nanotoxischen Effekt auf die getesteten Zellen und Gewebe.

Neben Wicks Team haben Empa-Forschende um Bernd Nowack über Stoffflussanalysen auch die mögliche künftige Umweltbelastung mit Graphen-haltigen Materialien berechnet und modelliert, welche Ökosysteme wie stark belastet sein dürften. Das Team von Roland Hischier, wie Nowack aus der Abteilung „Technologie und Gesellschaft“, hat mithilfe der Ökobilanz-Methode die ökologische Nachhaltigkeit unterschiedlicher Produktionsmethoden und Anwendungsbeispiele für verschiedene Graphen-Materialien untersucht. Und das Team von Roman Fasel aus dem „nanotech@surfaces“-Labor der Empa hat die Entwicklung elektronischer Bauelemente auf der Basis von schmalen Graphenstreifen vorangetrieben.

Die Neuentdeckung der zweiten Dimension: Graphen

Graphen ist ein vielversprechendes High-Tech-Material. Es besteht aus einer einzigen Schicht von wabenförmig angeordneten Kohlenstoffatomen und besitzt außergewöhnliche Eigenschaften: hohe mechanische Festigkeit, Flexibilität, Transparenz sowie hervorragende Wärme- und Stromleitfähigkeit. Schränkt man das ohnehin zweidimensionale Material räumlich noch mehr ein, etwa zu einem schmalen Band, entstehen sogar kontrollierbare Quanteneffekte. Dies könnte eine Vielzahl von Anwendungen ermöglichen, von Fahrzeugbau über Energiespeicherung bis hin zu Quanten-Computing.

Dabei war die Existenz dieses „Wundermaterials“ lange nur theoretisch. Erst 2004 konnten die Physiker Konstantin Novoselov und Andre Geim an der „University of Manchester“ Graphen erstmals gezielt herstellen und charakterisieren. Die Herstellung gelang mit verblüffend einfachen Mitteln: Mit einem Stück Klebeband trugen die Forscher so lange Graphitschichten ab, bis sie nur noch ein Atom dicke Flocken hatten. Für diese Arbeit erhielten sie 2010 den Nobelpreis für Physik.

Seither ist Graphen Gegenstand intensiver Forschung. Unterdessen haben Forschende weitere 2D-Materialien entdeckt, etwa die von Graphen abgeleiteten Graphensäure, Graphenoxid sowie Zyanographen, die Anwendungen in der Medizin haben könnten. Mit anorganischen 2D-Materialien wie Bornitrid oder MXene wollen Forschende leistungsfähigere Batterien bauen, elektronische Komponenten entwickeln oder andere Materialien verbessern.

Ein lohnendes Investment in die Forschung

Das 2013 gestartete Graphene Flagship stellte seinerzeit eine neue Form der gemeinsamen, koordinierten Forschung in bisher nicht gekanntem Umfang dar. Das Großprojekt hatte das Ziel, Forschende aus Forschungsinstitutionen und aus der Industrie zusammenzubringen, um innerhalb von zehn Jahren praktische Anwendungen mit Graphen aus den Labors zur Marktreife zu bringen und so Wirtschaftswachstum, neue Arbeitsplätze und neue Chancen in Schlüsseltechnologien für Europa zu schaffen. Das Konsortium bestand über seine gesamte Laufzeit aus mehr als 150 akademischen und industriellen Forschungsgruppen in 23 Ländern und hatte zahlreiche weitere assoziierte Mitglieder.

Voriges Jahr endete die zehnjährige Förderung mit der „Graphene Week“ im September im schwedischen Göteborg. Der Abschlussbericht zeigt die Erfolge des Projekts: knapp 5.000 wissenschaftliche Publikationen und mehr als 80 Patente wurden veröffentlicht. Es entstanden 17 Spin-offs im Graphenbereich, die insgesamt mehr als 130 Millionen Euro an „Venture Capital“ eingeworben haben. Gemäß einer Studie des deutschen Wirtschaftsforschungsinstituts WifOR hat das Graphene Flagship zu einer Wertschöpfung von insgesamt rund 5,9 Milliarden Euro in den beteiligten Ländern geführt und mehr als 80.000 neue Jobs in Europa geschaffen. Damit sei die Wirkung dieses Großprojekts mehr als zehnmal größer als kürzere EU-Projekte, wie die Wirtschaftsforscher analysiert haben.

Vorteile von großen Forschungsprojekten

An die Empa flossen im Verlauf des Projekts insgesamt umgerechnet rund drei Millionen Euro – die durchaus „katalytisch“ wirkten, wie Empa-Forscher Wick betont: „Diese Summe haben wir durch Folgeprojekte in der Größenordnung von insgesamt rund 5,5 Millionen Franken rund verdreifacht, das waren weitere EU-Projekte, Projekte, die vom Schweizerischen Nationalfons (SNF) gefördert wurden, aber auch direkte Kooperationsprojekte mit unseren Industriepartnern – und das alles in den letzten fünf Jahren.“

Doch der Vorteil derartiger Projekte geht weit über die großzügige Finanzierung hinaus, betont Wick: „Es ist wirklich einzigartig, in einem solch großen Projekt und breitem Netzwerk über so lange Zeit mit dabei zu sein. Zum einen haben sich daraus zahlreiche neue Kooperationen und Ideen für Projekte ergeben. Zum anderen hat es eine völlig andere Qualität, über eine so lange Zeit mit internationalen Partnern zusammenzuarbeiten, man vertraut sich fast blind; und ein derart eingespieltes Team ist deutlich effizienter und erbringt wissenschaftlich bessere Ergebnisse“, ist Wick überzeugt. Dabei seien nicht zuletzt auch viele persönliche Freundschaften entstanden.

Originalpublikation:

H Lin, T Buerki-Thurnherr, J Kaur, P Wick, M Pelin, A Tubaro, F Candotto Carniel, M Tretiach, E Flahaut, D Iglesias, E Vázquez, G Cellot, L Ballerini, V Castagnola, F Benfenati, A Armirotti, A Sallustrau, F Taran, M Keck, C Bussy, S Vranic, K Kostarelos, M Connolly, JM Navas, F Mouchet, L Gauthier, J Baker, B Suarez-Merino, T Kanerva, M Prato, B Fadeel, A Bianco; Environmental and Health Impacts of Graphene and Other Two-Dimensional Materials: A Graphene Flagship Perspective, ACS Nano, Publication Date: February 13, 2024, DOI: 10.1021/acsnano.3c09699

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