Safe and Sustainable by Design Ist Graphen sicher und nachhaltig?

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Wenn neue Materialien entwickelt werden, kann man über deren Auswirkungen auf die Umwelt und ihre Nachhaltigkeit nur geringe Aussagen treffen. Forscher der Empa haben nun Graphen nach dem Safe-Sunstainable-by-Design-Konzept untersucht.

Graphen ist ein wahres Wunderkind der Materialwissenschaft. Bei dieser Form des Kohlenstoffs ordnen sich die Atome zu zweidimensionalen Schichten an. Das verleiht dem Graphen vorteilhafte Eigenschaften: Es ist elektrisch leitend, nahezu transparent und besitzt eine hohe Zugfestigkeit. So wird das Material seit seiner erstmaligen Synthese im Jahr 2004 rege erforscht, auch an der Empa. Seine Auswirkungen auf Mensch und Umwelt wurden in einem EU-„Graphene Flagship“-Projekt mit Empa-Beteiligung eingehend untersucht.

Nun gehen Empa-Forschende einen Schritt weiter und wenden das „Safe and Sustainable by Design“-Prinzip (SSbD) auf das neuartige Material an. „Graphen ist ein gutes Beispiel, weil es dazu bereits viele Studien und Daten gibt“, erläutert Peter Wick, der das Empa-Labor „Nanomaterials in Health“ leitet. „Auch wir haben uns im Rahmen des ‚Graphene Flagship‘ zehn Jahre lang mit diesem Material beschäftigt.“

SSbD-Konzept für sichere industrielle Innovationen

Die grundlegenden Ideen hinter dem SSbD-Konzept sind nicht neu, führt der Forscher weiter aus: Die Sicherheit und Nachhaltigkeit von Graphen seien bereits im Flagship-Projekt ein zentrales Thema gewesen. Neu ist die Zusammenführung dieser Themen im „SSbD-Framework“, das der Industrie nachhaltige und sichere Innovationen ermöglichen soll.

Entsprechend ging es den Empa-Forschenden auch nicht (nur) darum, herauszufinden, ob Graphen an sich sicher und nachhaltig ist. „Wir wollten die gute Datenlage nutzen, um die Anwendung des SSbD-Frameworks zu testen und herauszufinden, wo und wie es noch weiterentwickelt und vereinfacht werden kann“, erklärt Empa-Forscherin Fiorella Pitaro aus der Abteilung „Technologie und Gesellschaft“.

Die Aufgabe ist komplex: Durch die rege Forschung und Entwicklung der letzten zwei Jahrzehnte kam zu reinem Graphen eine ganze Palette verwandter Produkte hinzu, so genannte Graphen-ähnliche Materialien. Es gibt reines Graphen, aber auch Graphenoxid, reduziertes Graphenoxid, „Few-Layer-Graphene“, das aus mehreren Schichten besteht, und noch viele mehr. Selbst diese Begriffe sind nicht immer eindeutig und können ihrerseits mehrere leicht unterschiedliche Materialien bezeichnen.

Diese Vielfalt ist eine Herausforderung, aber auch ein Vorteil für die Anwendung von SSbD. „Wir können die Daten für jede dieser Materialsubklassen vergleichen und Aussagen treffen, wie das Schadenpotenzial einer bestimmten Variante mit ihrer Struktur zusammenhängt“, erklärt Wick. „Da sie oft ähnliche Funktionalitäten haben, lässt sich dann im Idealfall für jede Anwendung die sicherste Form von Graphen einsetzen.“

Auch der Weg, auf dem das Material in den menschlichen Körper gelangt, ist für Aussagen über seine Sicherheit entscheidend: Wird es inhaliert oder als Teil eines Medikaments direkt in die Blutbahn gespritzt? Gelangt es über die Nahrungskette in unseren Verdauungstrakt, oder wird es auf die Haut appliziert? „Um das Risiko für den Menschen zuverlässig abschätzen zu können, müssen wir die Anwendung des Materials kennen“, sagt Wick. Denn die Anwendung bestimmt, ob, wie und in welchen Mengen eine Exposition stattfindet.

„Die Tools und Modelle, welche für die Bewertungen im SSbD-Framework eingesetzt werden können, wurden hauptsächlich für Chemikalien entwickelt“, sagt Fiorella Pitaro. Wo bei den Chemikalien vor allem die Molekülstruktur die Eigenschaften bestimmt, kommen bei Materialien wesentlich mehr Faktoren ins Spiel: die Oberflächenbeschaffenheit, die Form und Größe der Partikel, die Art der Verarbeitung und vieles mehr. Ein weiteres Ziel der Empa-Forschenden ist daher, die bestehenden SSbD-Werkzeuge so weiterzuentwickeln, dass sie auch auf Materialien angewendet werden können.

Optimistische Bewertung von Graphen

Das Ziel von SSbD ist es, nachhaltige und sichere Innovationen zu fördern. „Damit es die Industrie, vor allem auch KMU, anwenden können, muss das Framework noch zugänglicher und einfacher werden“, so Peter Wick. Die Aussagen, die es über die Sicherheit und Nachhaltigkeit untersuchter Materialien und Chemikalien trifft, sollten dabei trotzdem möglichst zuverlässig sein. Um diese widersprüchlichen Anforderungen unter einen Hut zu bringen, ist noch weitere Forschung nötig – etwas, was die Empa-Teams in unterschiedlichen Projekten vorantreiben.

Was die Sicherheit und Nachhaltigkeit von Graphen angeht, sind die Experten vorsichtig optimistisch. In vielen Bereichen und Anwendungen scheint das Material sicherer und nachhaltiger zu sein als die heute verwendeten kohlenstoffbasierten Alternativen. Das sei allerdings kein Freipass, es uneingeschränkt in die Umwelt freizusetzen, ermahnen sie. „Wir wissen noch nicht alles“, so Empa-Forscher Wick.

Originalpublikationen: 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 (2024)

F Pitaro, S Seeger, B Nowack: The safe and sustainable by design framework applied to graphene-based materials; Environment International (2025)