Grafeen on tõeline imematerjal materjaliteaduses. Selle süsiniku vormi puhul paigutuvad aatomid kahemõõtmelistesse kihtidesse. See annab grafeenile soodsad omadused: see on elektrit juhtiv, peaaegu läbipaistev ja kõrge tõmbetugevusega. Sellest ajast alates, kui see materjal esmakordselt 2004. aastal sünteesiti, on seda intensiivselt uuritud, sealhulgas Empas. Selle mõju inimestele ja keskkonnale uuriti üksikasjalikult Empa osalusel EU «Graphene Flagship» projektis.
Nüüd astuvad Empa teadlased sammu edasi ja rakendavad grafeeni puhul «Safe and Sustainable by Design» (SSbD) põhimõtet. «Grafeen on hea näide selle kohta, et selle kohta on juba palju uuringuid ja andmeid,» selgitab Peter Wick, kes juhib Empa laborit «Nanomaterials in Health». «Oleme ka kümme aastat tegelenud selle materjaliga «Graphene Flagship» raames.»
SSbD-kontseptsiooni põhilised ideed ei ole uued, jätkab teadlane: Grafeeni ohutus ja jätkusuutlikkus olid juba Flagship-projekti keskne teema. Uudsus seisneb nende teemade koondamises SSbD-raamistikus, mis peaks võimaldama tööstusel jätkusuutlikke ja ohutuid uuendusi rakendada.
Seega ei olnud Empa teadlaste eesmärk (ainult) teada saada, kas grafeen iseenesest on ohutu ja jätkusuutlik. «Soovisime kasutada head andmebaasi, et testida SSbD-raamistiku rakendamist ja välja selgitada, kus ja kuidas seda saaks veelgi arendada ja lihtsustada,» selgitab Empa teadlane Fiorella Pitaro osakonnast «Technology and Society».
Üks nimi, palju materjale
Ülesanne on keeruline: Viimase kahe aastakümne intensiivse uurimis- ja arendustööga on puhtale grafeenile lisandunud terve rida sellega seotud tooteid, nn grafeeni-laadseid materjale. On olemas puhas grafeen, kuid ka grafeenoksiid, redutseeritud grafeenoksiid, mitmekihiline grafeen, mis koosneb mitmest kihist, ja veel palju muud. Isegi need terminid ei ole alati üheselt mõistetavad ja võivad tähistada mitmeid kergelt erinevaid materjale.
See mitmekesisus on SSbD rakendamiseks nii väljakutse kui eelis. «Saame võrrelda andmeid iga selle materjali alamlassi kohta ja teha järeldusi, kuidas konkreetse variandi kahjustamispotentsiaal sõltub selle struktuurist,» selgitab Wick. «Kuna neil on sageli sarnased funktsionaalsused, on siis võimalik igaks otstarbeks kasutada grafeeni kõige ohutumat vormi.»
Ka tee, kuidas materjal inimkehasse satub, on ohutuse hindamisel määrav: Kas see inhaleeritakse või süstitakse otse vereringesse ravimiosana? Kas see jõuab meie seedetrakti toiduahela kaudu või kantakse nahale? «Et riske inimestele usaldusväärselt hinnata, peame tundma materjali rakendusi,» ütleb Wick. Sest rakendus määrab, kas, kuidas ja millises koguses toimub kokkupuude.
Kättesaadav ja usaldusväärne
«Tööriistad ja mudelid, mida SSbD-raamistiku hindamiseks kasutatakse, on peamiselt keemiliste ainete jaoks välja töötatud,» ütleb Fiorella Pitaro. Kui kemikaalide puhul määrab omadused peamiselt molekulistruktuur, siis materjalide puhul mängivad palju rohkem tegurid: osakeste pinnatekstuur, kuju ja suurus, töötlemise viis ja palju muud. Seetõttu on Empa teadlaste teine eesmärk arendada olemasolevaid SSbD-tööriistu edasi, et neid saaks kasutada ka materjalidele.
SSbD eesmärk on edendada jätkusuutlikke ja ohutuid innovatsioone. «Selleks, et tööstus, eriti ka VKE-d, saaksid seda rakendada, peab raamistik olema veelgi juurdepääsetavam ja lihtsam,» ütleb Peter Wick. Selle kaudu tehtud väited uuritud materjalide ja keemiliste ainete ohutuse ja jätkusuutlikkuse kohta peaksid siiski olema võimalikult usaldusväärsed. Nende vastuoluliste nõudmiste ühitamiseks on vaja veel täiendavaid uuringuid – midagi, mida Empa meeskonnad erinevates projektides edasi arendavad.
Mis puutub grafeeni ohutusse ja jätkusuutlikkusesse, siis eksperdid on ettevaatlikult optimistlikud. Paljudes valdkondades ja rakendustes tundub, et materjal on ohutum ja jätkusuutlikum kui tänapäeval kasutatavad süsinikpõhised alternatiivid. Kuid see ei anna vaba voli seda piiramatult keskkonda vabastada, nad hoiatavad. «Me ei tea veel kõike,» ütleb Empa teadlane Wick.