Spørg Fagfolket: Er supermaterialet grafen farligt at indånde?
Vores læser Lars Lund-Hansen har spurgt:
Jeg forstår godt begejstringen over supermaterialet grafen, men er man sikker på, at det er smart at få det spredt alle mulige steder?
Kan det nedbrydes i naturen, eller vil der efterhånden sprede sig uforgængelige grafenflager overalt?
Det er blevet nævnt, at det ikke er klogt at indånde grafenpartikler (eller andre nanopartikler), men ellers hører man sjældent noget om den side af sagen.
Læs også: Spørg Scientariet: Hvor små objekter kan man se?
Peter BøggildIngeniøren-blogger
Tak for dit yderst fornuftige spørgsmål.
Når et materiale dukker op, som har usædvanligt gode eller måske endda ekstreme egenskaber, skal man altid spørge, om dette kan have en slagside. Om de ’unikke’ og ’specielle’ kvaliteter nødvendigvis er positive.
Lige med hensyn til ’supermaterialet’ grafen er det ikke så nemt at svare på entydigt. Dvs.: der kan ikke svares blankt nej eller ja, men mere: ’Det kommer an på’.
Derfor bliver mit svar ret langt, men forhåbentligt oplysende.
Læs også: Spørg Scientariet: Hvad er grænsen for lagermediers informationstæthed?
1 - Er det smart at få spredt alle mulige steder?
2 - Kan det nedbrydes i naturen?
3 - Vil der efterhånden sprede sig uforgængelige grafenflager overalt?
4 - Er grafenpartikler eller andre nanopartikler farlige at indånde?
men INDEN jeg kan gøre det, vil jeg svare på to spørgsmål, jeg selv synes er en relevant opvarmning: ’hvad er grafen, og hvilke former har det’ samt ’hvilke slags nanopartikler er mest farlige’?
Læs også: Spørg Scientariet: Kan man bygge broer med piller som tændstikker?
0a- hvad er grafen, og hvilke former har det?
Grafen er de atomtynde lag, som det velkendte materiale grafit er lavet af. Grafit er et supermateriale med meget specielle egenskaber, som vi har nydt godt af i titusindvis af år, fra de første hulemalerier (hvor grafits evne til at glide fra hinanden og blive til flager har været brugt til at skrive på sten) til en masse moderne teknologi, som f.eks. bremseklodser, bildæk, stål… og blyanter.
Når man splitter et stykke grafit ad, finder man, at det er opbygget af flager, der sidder meget løst sammen med de svage van der Waals kræfter. De er ca. 100 gange svagere end kemiske bindinger, og dette er grunden til, at grafit føles blødt og smuldrende mellem fingrene. De enkelte flager er meget stærke, men glider nemt fra hinanden - det er derfor man kan tegne med en grafitblyant.
Grafen kan grundlæggende laves på to måder. Enten graves det op af miner i form af grafit, og der hentes ca. 1 million ton grafit op af miner hvert år på den konto. Disse grafitkrystaller splittes ad med ultralyd eller af kemisk vej, indtil man har små flager, f.eks. i en opløsning.
Alternativt kan du ’dyrke’ krystaller af grafen på en kobberoverflade. Ved at varme metan-gas (CH4) op til ca. 1000 grader C danner kulstofatomerne af sig selv det velkendte ’hønsenet-gitter’ oven på kobber-folien. Hønsenettet - det heksagonale gitter - kendes fra tusindevis af illustrationer. Prøv bare at google ’graphene’.
Jeg skelner gerne imellem:
• 'film-grafen' – som er de blot 1 atom tynde lag af grafen. Film-grafen bliver dyrket på kobberfolie og derefter overført til andre overflader (plastic, glas, silicium), hvor det bliver til elektronik, sensorer og trykfølsomme skærme – blandt andet.
• 'pulver-grafen' – som oftest laves ved at slå grafitkrystaller i små stykker. Grafit og grafitpulver bruges allerede i smøremidler, bremseskiver, stålproduktion, dæk og meget andet, men pulver-grafen har mange andre anvendelser – bl.a. som additiv til polymermaterialer. En lidt anden variant er 'grafen-oxid', som er grafit, man først oxiderer, så det nemt kan skilles ad, hvorefter man ad kemisk vej fjerner oxygen. Det kalder man så 'reduceret grafen-oxid', da det som regel ikke er helt lige så rent som grafen.
Læs også: Spørg Scientariet: Bliver kun kulbaseret materiale sort ved forbrænding?
De fleste forskere er enige om at kalde flager med 1 lag for ’grafen’ og flager med 1000 lag ’grafit’. Men hvad med 5 lag, 10 lag eller 100 lag?
Med andre ord: Hvor få lag skal der til, før materialet opfører sig mere som grafen end grafit? Typisk siger man, at flager med mindre end 10 lag er ’grafen’, men det tal er lidt grebet ud af luften. Hvorfor lige 10?
Og det er også flagernes størrelse og ikke bare tykkelsen, der spiller en rolle for egenskaberne - og derfor også potentielle sundhed- og miljørisici.
Mange producenter sælger billigt grafit-pulver (altså tykke flager) med en ’grafen’-etiket på, så de kan tage en langt højere pris. Det har jeg skrevet om i artiklen ’The war against fake graphene’ i Nature 2018, som kan læses gratis.
Så for at opsummere: Der er overordnet to slags grafen:
• Tyndfilmsgrafen
• Pulvergrafen i enten væske- eller i tør form
Pulver i tør form har et format, der potentielt kan give problemer, da det nemmere for eksempel kan havne i lungerne.
Læs også: Danske forskere får kontrol over ustyrligt grafen til effektiv nanoelektronik
0b - Hvilke slags nanopartikler er mest farlige?
Fra et kemisk synspunkt er grafen ikke et stof, der umiddelbart vil blive betragtet som et farligt stof. Som eksempel bruger man grafit-coatings af titanium-implantater for at forhindre korrosion (fordi grafen ikke reagerer ret nemt med noget) og for at hjælpe implantaterne med at blive accepteret i kroppen.
Grafit er - kemisk set - et af de mest biokompatible materialer, der findes. Men når selv et ufarligt stof bliver lavet på nanoskala, skal man tænke sig om.
Jeg vil påstå, at film-grafen (se ovenfor) er langt mindre farligt end pulver-grafen. Film-grafen har det med at klæbe rigtigt godt til den overflade, de nu sidder på.
Selv hvis filmen alligevel fandt på at ’flyve af’ af sig selv, eller blive skrabet af, er filmen så tynd, at det er en virkelig lille mængde kulstof, der er tale om. Og kulstof er som udgangspunkt ugiftigt.
Om man så med møje og besvær fik skrabet det kun 1 atom tynde grafen-lag fra en 10 cm stor siliciumskive af og rullede sammen til en kugle, ville den være ca. 0,15 mm i diameter, dvs. dårligt til at få øje på.
Så: film-grafen er ikke problemet og bliver det heller ikke, hverken for miljø eller mennesker.
Læs også: Nyt superlet materiale er perfekt som varmeisolator i rumfartsindustrien
0c - luftbårne nanopartikler.
Nanotoksikologi er meget kompliceret - og ikke noget jeg er ekspert i. Jeg har derfor haft et par eksperter til at læse artiklen her igennem.
Toksikologi er i forvejen en vanskelig størrelse - på grund af de millioner af forskellige kemiske stoffer, der eksisterer, og fordi eksponering er meget situationsbestemt.
Man skal vurdere en del mere end blot ’hvor meget’ materiale, der er. Det kan for eksempel være, hvilken måde materialet kan nå en person eller miljøet på (eksponering), hvor godt beskyttelsesudstyr/afskærmning/ventilation virker og så videre.
For nano-toksikologi er det endnu mere tricky, fordi den samme mængde materiale (i vægt) kan virke helt forskelligt afhængigt af f.eks. størrelsen og formen af partiklerne.
Guld er normalt opfattet som super inaktivt og sikkert, men guld-nanopartikler kan være meget reaktive.
Ligeledes er det muligt, at grafen (tynde) partikler er mere (eller mindre) farlige end grafit (tykke) partikler - i en bestemt situation. Man kan som regel ikke svare endegyldigt på, om et nanomateriale er farligt eller ej. Det kommer an på.
Læs også: Virksomheder: »Grafen skal give os et forspring«
Uden at gå for meget ind på disse omfattende studier, så er en af konklusionerne, at indånding af luftbårne partikler er langt det mest problematiske, for eksempel i forhold til partikler fanget i væske eller i fast stof.
Små partikler kan blive hængende i luften meget længe, og der er derfor mere tid, hvor de kan blive indåndet. Afhængigt af partiklernes form og størrelse - og ikke nødvendigvis så meget om det er det ene eller andet stof - kan de trænge længere ned i lungerne og blive deponeret i den dybe del af lungen.
Her kan de forblive i lang tid, fordi transporten væk fra denne del af lungen er langsom. Partikler kan gå fra lungen over i blodbanen og nå andre dele af kroppen, særligt leveren og milten. Indånding af grafenpartikler kan være problematisk, hvis grafenpartiklerne er små nok til at nå ned i lungen (dvs. mindre end 10 mikrometer i diameter). De er uopløselige i lungevæv og er vanskelige at transportere væk fra lungen på grund af deres form.
Uopløselige partikler forårsager inflammation og akutfase-respons, som igen kan kædes sammen med især risiko for hjertekarsygdom. Så man skal undgå indånding af grafen-pulver, grafit-pulver og i det hele taget undgå at indånde små partikler. Det er jo så bare ærgerligt, når man som mig bor ved Tagensvej i København.
Læs også: Verdens letteste og stærkeste materiale med grafen
1 - Er det smart at få spredt alle mulige steder? og 4 - Er grafenpartikler eller andre nanopartikler farlige at indånde?
Hvor ’usmart’ det er, at grafen bliver spredt, kommer i første omgang an på måden, det bliver spredt på, og hvor det bliver spredt.
Der er ikke nogen grafen-produkter, jeg kender til, hvor en kunde vil blive udsat for luftbårne partikler af produktet - de er næsten altid indfældet i et fast stof eller bundet til en overflade.
Når først grafen-partiklerne er i en væske eller i et fast stof, er det (mere) usandsynligt, at det vil give helbreds- eller miljørisici.
En stor og vigtigt undtagelse er de mennesker, der arbejder med pulveret, inden det bliver indfældet i en væske eller fast stof, f.eks. på fabrikker, hvor der produceres plastikmaterialer, der er stærkere end almindelig plastik.
Læs også: Grafen-baserede mikrofoner kan sætte fart i trådløs ultrasonisk kommunikation
Grafen, der befinder sig i væsker, kan potentielt nå ud i miljøet, men vil nok i praksis have en toksisk effekt på linje med grafit.
Der kan også ske ulykker, hvor grafen-holdig væske lækker f.eks. fra en fabrik. Derfor er det ikke særligt sandsynligt, at grafen finder vej til naturen på den måde, og selv hvis det sker, har jeg ikke nemt ved at se lige præcis den form (grafen i væske) skabe problemer.
MEN, intet materiale - selv ikke et så ’sikkert’ og ’biokompatibelt’ materiale som grafen/grafit - er noget, man skal indånde i pulverform, da uopløselige materialer er farlige at indånde, fordi kroppens forsvarssystemer igangsættes ved tilstedeværelsen af fremmedlegemer, også grafen (se 0c).
Langvarig aktivering af forsvarssystemerne, som involverer inflammation og akutfaserespons, forårsager en række sygdomme. Selve formen kan være et problem, hvis størrelsen er lille, som nævnt ovenfor.
Læs også: Dansk 'vaskemaskine' gør grafen brugbart
Så er der sådan noget som bortskaffelse og slid. Hvis man f.eks. har grafen-flager bygget ind i et fast stof eller måske en form for tekstil, kunne det jo ’støve’ og måske ad den vej nå luftvejene. Det er ret spekulativt.
Der er i det hele taget ret meget luftbåren kulstof-partikelforurening i vores liv, fra dieseludstødning til stearinlys og passiv rygning (tror jeg nok), så der er nok at tage fat på.
Kulstof-nanorør (som også er lavet af kulstofatomer) er blevet sammenlignet med asbest, fordi de i lighed med asbestfibre er små og aflange.
I sammenligning med asbest er det dog kun nogle ganske bestemte typer af kulstof-nanorør, der skaber problemer ved indånding, hvor det er bevist, at de forårsager kræft ved indånding.
Læs også: Kulstofmaterialet grafen kan også være superleder
Et studie, lavet for nyligt, er omtalt på internetbloggen Nanowerk. Artiklen er skrevet af en lang række forskere fra det store europæiske fællesprojekt Graphene Flagship, der har samlet viden om grafen-sikkerhed.
Selve artiklen kan læses gratis her, hvis man har mod på det. Her er et af budskaberne, at man ikke kan lave et samlet svar for ’grafen’.
Så i stedet for at give et entydigt svar på, om grafen er farligt eller ej, må man (desværre) til at studere de forskellige former for grafen en ad gangen, som beskrevet i artiklen, og også tage med i betragtning, hvordan risikoen for eksponering er i hvert enkelt tilfælde - hvilket jo er svært at sige generelt.
Er luft farligt? Umiddelbart vil de fleste sige nej. Ikke desto mindre giver luft i en blodåre hjertestop. Det kommer an på. Er vand farligt. Igen, nej. Men prøv at holde hovedet under vand i 10 minutter og se, hvad du synes. Så det kommer an på, og sådan er det også med grafen.
Idet grafen-pulver som sagt er et meget spændende additiv til coatings, elastomerer, polymerer, maling og også som ledende blæk til printbar elektronik og mange andre produkter, ville det være på sin plads at lave en slags guide til, hvordan man omgås sådant pulver.
Læs også: DTU-professor: Sådan kommer din virksomhed i gang med grafen
Jeg vil se, om jeg kan finde ud af, hvor en sådan findes, idet jeg ikke selv arbejder med pulver-grafen… endnu!
2 - kan det nedbrydes i naturen?
Grafen er meget stabilt og bliver normalt ikke nedbrudt hverken ad kemisk eller biologisk vej, hverken i kroppen eller i naturen.
I kroppen kan der måske ske skader, hvis det havner i lungerne eller et andet sted, hvor immunforsvaret ikke kan transportere det væk, så det bliver der.
Om immunsystemet kan ’håndtere’ partiklerne, afhænger af størrelse, form, og hvor i kroppen det foregår. Man skal ikke have grafen-flager ned i lungerne. Men igen: Grafen-materialer er forskellige, så deres eventuelle opførsel i naturen er heller ikke noget, man ved meget om.
Læs også: Kobberbaner med grafen giver hurtigere chips
3 - Vil der efterhånden sprede sig uforgængelige grafen-flager overalt?
Ja og nej. Kulstofmaterialer er overalt, og har ca. samme kemi som grafen-flager. Så der er allerede tons og atter tons af kulstofmaterialer i vores miljø og verden (og vores lunger og kroppe).
Spørgsmålet om grafen udgør en væsentlig forskel, vil tage noget tid at svare fyldestgørende på. Men der forskes i det, så forhåbentligt bliver vi klogere.
Det er virkeligt svært at forudsige, om akkumulation af grafen-flager nogensinde bliver et problem. Foreløbigt er grafen-filtre i spil til at fjerne forurening og partikler fra spildevand og til at gøre saltvand til ferskvand og så videre.
Om grafen-partikler i naturen i selv kan blive et problem, tror jeg ikke, at der er nogen der ved - derimod er der en del fokus på kemikalier, der bruges i forbindelse med fremstilling af grafen-produkter.
