Jak grafen působí na člověka?

V roce 2010 obdrželi Andre Geim a Konstantin Novoselov Nobelovu cenu za své „průkopnické experimenty s dvourozměrným materiálem grafenem“. Od té doby začali fyzici a chemici po celém světě zkoumat vlastnosti nového materiálu a nacházet pro něj nové praktické aplikace. Grafen se používá k výrobě elektronických čipů, plynových senzorů a membrán pro čištění vody. S příchodem grafenu začala nová etapa ve vývoji lékařských technologií a bioelektroniky.

Vlastnosti grafenu

Grafen je dvourozměrný materiál, alotrop uhlíku. V případě grafenu jsou atomy uhlíku uspořádány do šestiúhelníkové struktury a tvoří vrstvu o tloušťce jednoho atomu – jedná se o grafen. Tuto strukturu získává díky skutečnosti, že vnější obal atomu uhlíku obsahuje čtyři elektrony: tři z nich vstupují do kontaktu se sousedními atomy a čtvrtý je ve stavu, který tvoří energetické pásy. Proto má grafen jedinečné elektrické vlastnosti a je vynikajícím vodičem elektrického proudu. Grafen má také působivé mechanické vlastnosti: je pružný, tenký a z 97 % průhledný.

Teoretické práce dokazují, že grafen je velmi tvrdý a odolný vůči mechanickému namáhání. Přitom pokud ho položíte na podklad z měkkého materiálu, převezme své vlastnosti. Tyto vlastnosti jsou užitečné v bioelektronice, ve které vědci vyvíjejí zařízení pro použití v živých organismech. V této oblasti jsou upřednostňovány měkké materiály, které jsou více kompatibilní s tělesnými tkáněmi. K tomu nejsou vhodné křemík a tvrdé kovy, které se používají v běžné elektronice. Od roku 2008 se objevují práce na grafenových neurozařízeních a biosenzorech: vědci zkoumají možnosti nového materiálu a v této oblasti již dosahují hmatatelných výsledků [1] [2].

Neurodevices: čtení aktivity neuronů

Na základě unikátních vlastností grafenu je možné vyrobit neurozařízení, která čtou aktivitu neuronů. Základním prvkem takových zařízení je grafenový (ambipolární, field-effect) tranzistor, kterým protéká proud při přivedení napětí. Vývojáři v oblasti bioelektroniky vyrábějí čipy, které umísťují grafenové tranzistory na flexibilní substráty. Na tomto čipu rostou neuronové buňky. Zhruba po třech týdnech, kdy buňky dostatečně vyrostly, na sebe vzájemně působí a spontánně se vzrušují, čímž vytvářejí impuls. Náboj na povrchu buňky se mění rychle a nepatrně, o desítky milivoltů. Tento povrchový náboj ovlivňuje vodivost grafenu prostřednictvím efektu pole, to znamená, že neuronální impuls mění proud přes celý tranzistor. Vědci to čtou, a tak vidí aktivitu neuronů. S neurodevicemi se zachází v Centrum pro výzkum mikroelektroniky na Texaské univerzitě v Austinu a na Ústav bioelektroniky ve výzkumném centru Jülich v Německu. Technologie funguje v laboratorních podmínkách nyní na jejím základě vědci z Texaské univerzity vyrábějí zařízení, která lze implantovat do mozku. Několik takových zařízení již bylo vytvořeno jinými výzkumnými skupinami, mohli je otestovat in vivo na myších a krysách [3].

V budoucnu může být tato technologie použita pro lidi. Neurodevice mohou usnadnit život lidem s Parkinsonovou chorobou, kteří často zažívají třes, mimovolní svalové kontrakce. K regulaci záchvatů jsou pacientům implantována multielektrodová pole, která hluboce stimulují mozek elektrickými impulsy. Když dojde k záchvatu, pacient stiskne tlačítko na minipřístroji a přes elektrodu se odešle několik signálů do části mozku, která je za nemoc zodpovědná.

Problém standardních multielektrodových polí je v tom, že jsou vyrobeny z pevného křemíku. Implantovat křemíkové zařízení do mozku je jako snažit se zasadit hřebík do měkkého bonbónu. Tělo reaguje na křemíkovou elektroniku, jako by to bylo cizí těleso. Kolem takových zařízení se tvoří gliové buňky, s jejichž pomocí se mozek snaží chránit neurony a vytlačit cizí předmět. Proto se stimulanty mění každých 2–5 let. Na základě grafenu můžete vyvíjet úplně jiná zařízení – flexibilní, tenká a měkká. Buňky takové zařízení testují, ochranná reakce se nespustí. Zařízení pak lze měnit mnohem méně často – jednou za několik desetiletí.

Zmírnění Parkinsonovy choroby není zdaleka jedinou oblastí použití grafenových neurozařízení. Budou užitečné pro výzkumníky pracující s jakýmikoli neurodegenerativními chorobami. Většina z nich je stále špatně pochopena: vědcům chybí údaje o tom, jak funguje lidský mozek. Nyní se pro taková pozorování používají i křemíková zařízení, takže je ve výzkumných úkolech nahradí účinnější grafenová zařízení.

Senzory: stanovení biomarkerů

Další oblastí použití grafenu je vytvoření senzorů, které detekují biomarkery. Tímto způsobem lze měřit neuronální bioreceptory, DNA, imunoglobulin, biomarkery spojené s rakovinou nebo kardiovaskulárním onemocněním. Lékařům to dává nové možnosti diagnostiky nemocí.

Zařízení pro biosenzory fungují i ​​na grafenových tranzistorech, ale jsou složitější. Grafen je uhlíková mřížka v jedné rovině. K vytvoření biosenzoru musí molekula interagovat s grafenem. Chcete-li to provést, musíte vytvořit jeho dvou- nebo tříúrovňovou funkcionalizaci – připojení několika chemických skupin ke grafenu. Pro začátek je grafen funkcionalizován pyrenem, chemickou sloučeninou se vzorcem C₁₆H₁₀, (cyklický polyaromatický uhlovodík). Tuto molekulu lze již funkcionalizovat s jinými: například k ní přidat glukózooxidázu a výsledkem je biosenzor glukózy. Když se glukóza dostane do blízkosti glukózooxidázy, budou tyto dvě reagovat chemicky. Vyvolá to změnu proudu v grafenovém tranzistoru, kterou vědci mohou pozorovat a vyvozovat závěry o úrovni biomarkeru v těle. Skupina korejských vědců zabudovala do multifunkčních kontaktních čoček glukózový senzor – určují hladinu glukózy na základě složení slz. V roce 2017 byla tato technologie testována na králících. Nedávno ruská skupina vytvořila biosenzory na bázi grafenu, které dokážou měřit toxiny, zejména ochratoxin A, považovaný za jeden z nejnebezpečnějších. Všechny tyto technologie v budoucnu umožní přesněji diagnostikovat onemocnění a sledovat jejich průběh.

Mýtus o toxicitě grafenu

Na každé konferenci se nevyhnutelně objeví otázka potenciální toxicity grafenu. Vědci musí pokaždé vysvětlovat, že to není tak úplně pravda. Grafen lze vyrobit několika způsoby. Jedním z nich je pouhé rozmíchání grafitu nebo uhlíku ve vodě, jehož výsledkem jsou malé částice s bočními rozměry grafenu menšími než sto nanometrů. Tento druh grafenu je pro buňky opravdu nebezpečný: v průběhu let výzkumníci Akhavan a Ghaderi publikovali práci, která prokázala, že malé částice procházejí buněčnou membránou a zabíjejí buňku.

Moderní bioelektronika využívá vysoce kvalitní grafen vypěstovaný chemickou depozicí par. Jde o homogenní vrstvu atomů na velmi velké ploše – až 100 krát 100 milimetrů. Poté jej vývojáři zmenší na asi 100 x 100 mikrometrů a připevní k substrátu. V tomto případě nemůže vykazovat toxicitu, protože neplave mezi buňkami. Kromě toho existuje několik studií, ve kterých vědci pěstovali buňky na grafenu na substrátu a na obyčejném skle a porovnávali výsledky. Ukázalo se, že buňky rostou mnohem aktivněji na grafenu. Grafen je biokompatibilní materiál, protože je to obyčejný uhlík.

Předzesilování signálu: problém přenosu dat na dálku

Jednou z nevýhod grafenu pro elektroniku je absence zakázaného pásu – rozsah hodnot, které elektrony v látce nemohou mít. V grafenu mají elektrony libovolnou energii. Příliš dobře vede proud, takže z něj nelze vyrobit klasický tranzistor s pozicemi 1 a 0, přítomnost a nepřítomnost proudu. Grafenový tranzistor se nikdy nevypne: jednoduše vede proud buď dobře, nebo špatně. Neprovádí však logické operace, které zvládají klasické křemíkové tranzistory. To je významný problém pro moderní grafenovou elektroniku.

Bioelektrické potenciály vytvářené neuronovými buňkami kolem membrány jsou poměrně slabé: od deseti do dvou set mikrovoltů, v závislosti na buňce, šířce mezery mezi ní a grafenem a dalších faktorech. Je téměř nemožné přenášet je na vzdálenost několika metrů beze ztrát: elektromagnetické vlny z jiných zařízení přehluší slabý signál. Je nemožné postavit tranzistory založené na grafenu, které budou provádět logické operace pro zesílení signálu. Optimálním řešením by bylo použít pro měření grafen a vytvořit další tranzistory z jiných tranzistorů Umožní předzesílení signálu z 10 mikrovoltů na 10 milivoltů, které lze přenést bez ztrát přes 10 kilometrů. To je důležitý úkol jak pro konvenční elektroniku, tak pro lékařské přístroje. Předzesilování signálu zajistí, že všechny technologie budou bezdrátové a budou interagovat se zařízeními prostřednictvím tranzistorových systémů.

Perspektivy praktické aplikace grafenu

Těžko říci, kdy se grafenová bioelektronika široce uplatní v praxi. Vědci testují neurozařízení, biosenzory a další výzkumné projekty v laboratorních podmínkách. Abychom je dostali na úroveň lékařského využití, je nutné rozvíjet průmysl na výrobu grafenových zařízení. Pro výzkum se obvykle vyrábí 10 až 100 zařízení. Lékařská praxe vyžaduje mnohem větší rozsah: jsou zapotřebí tisíce a miliony takových zařízení. Nyní se zdá, že perspektiva praktického uplatnění je ještě daleko za horizontem, ale za 5-10 let bude možné říci něco určitějšího. Výzkumné skupiny experimentují s grafenem v různých směrech a používají jej k řešení mnoha problémů. Je stále obtížné jasně identifikovat slibné přístupy, což vyžaduje čas a investice, které pomohou rozvíjet stávající výzkum.

Grafen je jedním z nejslibnějších materiálů objevených v posledních desetiletích. Jde o monatomickou vrstvu uhlíku, která má neuvěřitelné vlastnosti, jako je vysoká pevnost, jedinečná vodivost tepla a elektřiny. V tomto článku se podíváme na základní vlastnosti grafenu a jeho potenciální budoucí aplikace.

Zveřejněno Hi-Tech Mail

Co je grafen a proč je jedinečný

Grafen je monoatomická vrstva uhlíku, která je dvourozměrným materiálem s hexagonální krystalovou strukturou. Je milionkrát tenčí než lidský vlas a 200krát pevnější než ocel (samozřejmě, pokud srovnáte ocel stejné tloušťky), má nejlepší tepelnou a elektrickou vodivost ze všech známých materiálů a za určitých podmínek může být dokonce lehčí. než vzduch.

Díky těmto vlastnostem je použitelný pro širokou škálu aplikací, včetně elektroniky, energetiky, lékařství, dopravy a mnoha dalších oborů.

Kdo objevil grafen

Grafen objevili v roce 2004 britští vědci ruského původu Andrei Geim a Konstantin Novoselov. Při práci na univerzitě v Manchesteru studovali vlastnosti uhlíkových materiálů včetně grafitu. Experimentováním s grafitem se jim podařilo izolovat monatomickou vrstvu uhlíku, která se nazývala grafen. Zajímavé je, že při své práci použili obyčejnou pásku, která umožnila oddělit vrstvu grafitu o tloušťce jednoho atomu uhlíku. Výsledky výzkumu byly publikovány v časopise Science. Geim a Novoselov získali za svou práci mnoho vědeckých ocenění, včetně Nobelovy ceny za fyziku v roce 2010.

Je grafen bezpečný?

Grafen je vyroben z uhlíku, přírodního prvku, který nemá žádné toxické vlastnosti. Vzhledem k tomu, že se však jedná o relativně nový materiál, vlastnosti grafenu a jeho účinky na člověka je třeba teprve dlouhodobě studovat. V současné době existují studie, které jednak prokazují bezpečnost grafenu a jednak vedou k jiným závěrům. Zejména oxid grafenu představuje určité nebezpečí, například byste se měli vyhnout tomu, aby se dostal do plic.

Při práci s grafenem je navíc nutné dodržovat příslušná bezpečnostní opatření. Jakýkoli materiál se může stát nebezpečným, pokud je používán nesprávným nebo neodborným způsobem.

Neobvyklé vlastnosti grafenu

Materiál má jedinečné vlastnosti, díky kterým je užitečný pro vytváření různých zařízení a technologií. Mezi jeho hlavní přednosti patří vysoká pevnost, elektrická vodivost, tepelná vodivost a průhlednost.

1. Vysoká síla. Jedná se o tenký a odolný materiál, který vydrží působivou váhu, aniž by se zlomil. Jeho pevnost v tahu je 55 N m−1. Například grafenová houpací síť o ploše 1 metr čtvereční unese kočku vážící 4 kilogramy, zatímco houpací síť bude prakticky neviditelná.
2. Vysoká elektrická vodivost. V tomto ukazateli předčí například měď. Navíc mobilita nosičů náboje v grafenu je vyšší než v křemíku. To je užitečné pro vytváření elektronických zařízení.
3. Vysoká tepelná vodivost. Materiál dokáže přenášet teplo velmi rychle a efektivně (10x lépe než měď), díky čemuž je užitečný pro vytváření chladičů a zařízení pro řízení teploty, jako je tepelná pasta nebo chlazení pro CPU počítače.
4. Průhlednost. Takto tenký materiál je špatně vidět a pohltí 2,3 % dopadajícího světla, takže je prakticky průhledný.
5. Flexibilita. Dá se ohýbat do různých tvarů bez ztráty svých vlastností. V kombinaci s elektrickou vodivostí a průhledností lze materiál použít například k vytvoření flexibilní elektroniky.

Kde se již grafen používá?

Nový materiál se již používá v různých oblastech a někdy najde zcela nečekané uplatnění: od výroby lehčích a pevnějších tenisových raket až po použití v oděvech, k napájení externích LED diod a solárních panelů.

• Elektronika. V prodeji můžete najít širokou škálu elektronických produktů. Kanadská společnost Ora Graphene Audio tak vydala grafenová sluchátka. Vzhledem k tomu, že materiál dobře vede teplo, nachází se v chladicích systémech pro chytré telefony a přidává se i do teplovodivé pasty. Jednou z populárních oblastí jsou dnes baterie. Existují dokonce i grafenové žárovky, které jsou ekonomičtější a odolnější než jejich LED protějšky.

• Medicína. Využití tohoto inovativního materiálu v medicíně je široké: od nejjednodušších produktů, jako jsou lékařské masky, až po náramky pro sledování a boj s cukrovkou a jako prostředek pro dodávání léků do rakovinných buněk.
• Doprava Materiál lze použít k vytvoření lehkých, pevných a flexibilních materiálů pro letectví a automobilové aplikace. Například v roce 2018 bylo představeno první bezpilotní letadlo na světě s grafenovým povlakem. A běžní občané si už mohou koupit pneumatiky na kola s grafenem, nástřikem na ochranu karoserie a aditivem do motorového oleje.
• Ochrana. Díky své vysoké pevnosti se tento materiál používá k vytváření ochranných povlaků: neprůstřelné vesty, helmy, pancéřování pro vybavení atd. Čínský útočný vrtulník Z-10 tak dostal grafenové brnění a thajská armáda nakupuje inovativní neprůstřelné vesty na ochranu vojáků.

Kde se dá grafen v budoucnu využít?

Tento materiál lze použít k vytvoření nových technologií a produktů. Zkoumají ji vědci z různých zemí a zajímají se o ni velké společnosti jako Airbus, Samsung, IBM a mnoho dalších. Níže jsou uvedeny pouze některé z možných budoucích aplikací materiálu a jeho potenciál může být dále zkoumán prostřednictvím výzkumu a vývoje.

• Kvantové počítání. Vytvořit kvantové počítače, které budou pracovat mnohem rychleji a efektivněji než moderní počítače. Zejména finští vědci vyvinuli bolometr (přístroj pro měření energetického stavu qubitů) na bázi grafenu, který má rekordní citlivost, což může výrazně snížit spotřebu energie kvantových počítačů a učinit je kompaktnějšími.
• Robotika. Výroba flexibilních a odolných materiálů pro roboty, které se budou moci pohybovat a přizpůsobovat různým podmínkám. Indičtí vědci mluví například o samoopravné kůži pro androidy a v Austrálii vyvinuli grafenový biosenzor, který umožňuje ovládat roboty.
• Vesmírný výzkum. Výroba lehkých a odolných materiálů pro kosmické lodě, vesmírné stanice a družice. V Číně tak vědci navrhli pohyb ve vesmíru pomocí solárních plachet vyrobených z grafenu a grafenové brnění by mohlo chránit kosmické lodě před mikrometeority.
• Ekologie. Grafenové filtry lze použít k čištění vody a vzduchu a také k vytvoření účinnějších a ekologičtějších zdrojů energie. Může být také použit v jaderných elektrárnách ke zvýšení účinnosti a snížení škodlivých emisí oxidu uhličitého.

Proč grafen stále není široce používán

Přestože má tento materiál obrovský potenciál v mnoha oblastech, jeho použití v průmyslovém měřítku je stále omezeno technologickými problémy a vysokými výrobními náklady. Od roku 2020 byly náklady na tunu grafenu až 200 000 dolarů, vědci však neustále nacházejí nové způsoby výroby, například pomocí odpadů obsahujících uhlík jako suroviny k výrobě grafenu, což snižuje náklady. Některé nápady však přicházejí zcela náhodou.

Pro průmyslové využití grafenu je nutné provést další výzkum a testování, investovat čas a peníze, takže nepočítejte s tím, že všechny velké společnosti budou moci spustit výrobu přes noc. Například Ford začal studovat grafen v roce 2014 v roce 2022, společnost jej používá ve výrobě, používá jej jako přísadu do polyuretanové pěny, která se používá k ošetření karoserií automobilů za účelem snížení hluku a vibrací. Výzkum berou vážně i další velké společnosti, jako je chemický gigant BASF nebo jihokorejský výrobce elektroniky LG.

Grafen se tedy dříve nebo později začne masově používat, ale nemůže se tak stát okamžitě.

Co ještě číst a sledovat o grafenu

1. „Prehistorie grafenu“ je článek na webu For Science, který popisuje historii objevu a vývoje myšlenek o dvourozměrných materiálech ve fyzice.
2. „Metody pro výrobu grafenu“ je článek na webu Rusgrafen, ruské společnosti, která zahájila výrobu CVD grafenu.
3. „The Essential Element of Life“ je video na kanálu Droider, které hovoří o uhlíku a dalších materiálech na bázi uhlíku.
4. Grafen – co to je? — Článek v angličtině na webových stránkách společnosti Graphenea, jedné z předních společností vyrábějících grafen.

Toto je také zajímavé:

• Kdo jsou humanoidi
• Interakce softwarových systémů
• Unikátní dalekohledy: jak Čína začíná pátrat po mimozemském životě