Wyjątkowe właściwości

Za jego odkrycie Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow w 2010 r. zdobyli Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, mimo że o możliwości otrzymania grafenu spekulowano już dużo wcześniej. W latach 40. XX w. Philip Russell Wallace stworzył model teoretyczny tegoż materiału. Mimo to we wskazanym okresie powstawały też opracowania, w których stwierdzano, iż materiały dwuwymiarowe (grafen) nie mogą istnieć w przyrodzie. Jeden z najkrótszych opisów wymienionego „surowca” można sprowadzić do trzech słów: elastyczność (grafen da się rozciągnąć nawet o 20% w stosunku do pierwotnej długości tworzywa), przezroczystość i ogromna wytrzymałość (dużo większa niż stal). Przy tym nie przepuszcza substancji chemicznych i cechuje się znakomitym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym, dzięki czemu jest tworzywem idealnie sprawdzającym się w szybkich układach przetwarzających oraz mogącym znaleźć zastosowanie w szerokim spektrum na polu elektroniki. Jego dodatkową cechą są właściwości antyseptyczne. Strukturą przypomina plaster miodu utworzony z atomów ułożonych w jedną sieć. To wszystko sprawia, że owa „tkanina” może znaleźć zastosowanie także w ogólnie pojętej medycynie.

Grafen wytwarzany jest wieloma technikami, a każda z nich ma inne potencjalne przeznaczenie w sektorach naukowym i przemysłowym. Odrywanie mechaniczne struktury przy użyciu taśmy klejącej (z wysokiej jakości grafitu) służy głównie do zastosowań stricte badawczych. Inną techniką wytwarzania grafenu jest osadzanie z fazy gazowej. Kolejna metoda to m.in. produkcja grafenu na węgliku krzemu. W 2011 r. Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych poinformowały o wspólnym opracowaniu technologii pozyskiwania dużych fragmentów grafenu. Kilka lat później Politechnika Łódzka zaprezentowała urządzenie do produkcji grafenu z fazy ciekłej, pozwalające na wytwarzanie wielkopowierzchniowych płatów grafenowych o niezwykle korzystnych właściwościach. Produkt nazwano HSMG (z ang. High Strength Metallurgical Graphene). Grafen wytwarzany na PŁ ma wyższą wytrzymałość oraz powtarzalność właściwości fizykochemicznych w zmiennych warunkach ciśnienia i temperatury.

Szeroki katalog możliwości

Przede wszystkim grafen zainicjował szeroki wachlarz możliwości w leczeniu onkologicznym. Ten aspekt poruszył m.in. zespół pracujący pod nadzorem prof. Ewy Sawosz-Chwalibóg z Samodzielnego Zakładu Nanobiotechnologii i Ekologii Doświadczalnej, Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego. Przeprowadzone badania wykazały, że grafen niszczy komórki nowotworowe. Po przylgnięciu do sekcji zmienionych chorobowo wytwarza wokół nich cienką warstwę, powodując tym samym odcięcie dopływu tlenu oraz składników odżywczych do guza, co w konsekwencji prowadzi do obumarcia patologicznej zmiany. Grupa naukowców dowiodła również, że grafen można wykorzystać w charakterze nanonośnika innych substancji, w tym: leków, enzymów i związków mineralnych. Duża, płaska struktura i grupy zawierające tlen zapewniają biokompatybilność i rozpuszczalność, czyli właściwości odpowiednie do rozprowadzania leków po organizmie.

To jednak tylko jedna z obiecujących opcji zastosowania wymienionego materiału. Kataloński Instytut Nanonauki i Nanotechnologii stworzył nowoczesny grafenowy czujnik pozwalający na rejestrowanie aktywności mózgu już na częstotliwościach poniżej wartości 0,1 Hz, co umożliwia przewidywanie – z dużym prawdopodobieństwem – udaru bądź napadu padaczkowego. Ponadto wyniki badań uzyskanych z użyciem tlenku grafenu zawieszonego metodą filtracji próżniowej wykazały, iż ma on działanie antybakteryjne. Sygnatury spektroskopowe biomolekuł, takich jak nukleozasady i białka, analizowano oraz porównano między hodowlami bakterii Escherichia coli i Enterococcus faecalis przy różnych stężeniach tlenku grafenu. Większa spektroskopowa sygnatura nukleozasad i białek wytwarzanych z kultur z zaaplikowanym tlenkiem grafenu zwraca uwagę na podstawowy mechanizm działania przeciwbakteryjnego. Wynika to z faktu, że większe stężenia analizowanych biomolekuł są związane z indukowaną śmiercią bakteryjną, co dodatkowo potwierdza obserwacja przy użyciu tradycyjnej mikroskopii.

Grafen jako biosensor

Z uwagi na swoje właściwości grafen może posłużyć również jako biosensor pozwalający wykryć cząsteczki biologiczne poprzez wytwarzanie mierzalnego sygnału. Poddaje się łatwej funkcjonalizacji i umożliwia wytwarzanie biokompatybilnej powierzchni zarówno poprzez kowalencyjne, jak i niekowalencyjne wiązanie cząsteczek. Grafen wykorzystuje się także w elektrochemicznych immunosensorach, w których przypadku na powierzchni elektrody wykrywane są kompleksy relacji antygen-przeciwciało. Poprzez utworzenie immunosensora na powierzchni grafenu opracowano chociażby technikę wykrywania ważnego biomarkera raka, czyli alfa-fetoproteiny (AFP). Naukowcy zajmujący się inżynierią tkankową wciąż poszukują idealnego materiału, który zapewniłby odpowiednią adhezję, różnicowanie i wzrost komórek. W najnowszych badaniach odkryto, że grafen wykazuje niezbędną biokompatybilność z komórkami ssaków. W badaniu komórek kostnych z niezróżnicowanych komórek macierzystych na rusztowaniu grafenowym dowiedziono, że film oparty na grafenie przyspiesza różnicowanie komórek macierzystych. Grafen wykazuje także wysoką wytrzymałość mechaniczną, co czyni go potencjalnie odpowiednim materiałem do zastosowań w inżynierii tkankowej. Technologia ta może być stosowana w przyszłości podczas zabiegów chirurgicznych na tkankach twardych, w szczególności w celu wzmocnienia sztucznych implantów kostnych.

Grafenu jako „materiału przyszłości” nie należy rozpatrywać wyłącznie w charakterze rewolucji zagranicznej. Także Polska zaznaczyła na tym polu swoją obecność, a to chociażby za sprawą spółki Nano Carbon, która swego czasu działania ogniskowała wokół komercjalizacji grafenu. Niestety na wdrożenie produkcji masowej zabrakło środków. Grafen można wykorzystać jednak także w bardziej trywialny sposób, za to z korzyściami dla konsumentów, np. jako wektor niwelujący ból, za sprawą wprowadzenia tzw. poduszek grafenowych, co można wzbogacić też o podgrzewaną odzież. Z kolei naukowcy z Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu oraz Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN pracowali nad zastosowaniem powłoki grafenowej w stentach naczyniowych – przyjaznych dla organizmu i bakteriostatycznych. W rumuńskich i amerykańskich placówkach naukowych powzięto zaś zamiar realizowania działań zmierzających do opracowania ram zastosowań grafenu w stomatologii, a konkretniej – produkcji plomb. Ideą projektu było dodanie grafenu do materiałów stomatologicznych w celu zwiększenia ich oporności na korozję, a także poprawienie ich właściwości mechanicznych. Naukowcy sprawdzali, jak tlenek grafenu, grafen domieszkowany azotem czy termicznie zredukowany tlenek grafenu wpływają w warunkach in vitro na komórki macierzyste z zębów. Okazało się, że zredukowany tlenek grafenu jest bardzo toksyczny. Z kolei w wysokich dawkach (20 i 40 mikrogramów na mililitr) grafen domieszkowany azotem uszkadza błony. Najmniej toksyczny był tlenek grafenu.

Ciemna strona „materiału przyszłości”

Grafen to jednak poniekąd miecz obosieczny – choć w przemyśle jego możliwości są olbrzymie, sytuacja kształtuje się nieco inaczej, jeśli pod uwagę weźmiemy jego wpływ na środowisko. To, w jaki sposób grafen może wpływać na wody (powierzchniowe i gruntowe), sprawdził zespół naukowców wywodzący się z Bourns College of Engineering w Kalifornii. Wyniki sondowania wykazały, że gdy w wodach gruntowych znajduje się niewielka ilość materiału organicznego, do którego należy grafen, rośnie stopień jej twardości, a nanocząsteczki grafenu mogą się osadzać na brzegach zbiorników. W przypadku wód powierzchniowych grafen przemieszczał się pod powierzchnię, gdzie mógł stanowić zagrożenie dla roślin i zwierząt. Niezbyt przychylne wiadomości w związku z ewentualnym wpływem grafenu na człowieka przynoszą także badania przeprowadzone przez naukowców w Państwie Środka. Według nich długotrwała ekspozycja na grafen może prowadzić do osadzania się nanocząsteczek w płucach, wątrobie i śledzionie. Wynikiem tego mogą być przewlekłe choroby, w tym zwłóknienie płuc.

Grafen można wykorzystywać również do odsalania wody, co nabiera wyjątkowego znaczenia w odniesieniu do najbiedniejszych regionów świata, w których dostęp do wody pitnej często bywa utrudniony. Choć grafen z natury jest hydrofobowy (przez jego strukturę nie przenikają cząsteczki wody), naukowcy udowodnili, że gdy zwinie się go w tzw. kapilarę, czyli bardzo wąską rurkę, będzie działał jak filtr. Wykorzystując grafen, badacze z Uniwersytetu w Manchesterze chcą opracować urządzenie, dzięki któremu szklankę wody pitnej będzie można uzyskać w ciągu kilku minut ręcznego pompowania.