Beim «Safe and Sustainable by Design»-Prinzip geht es darum, Risiken zu verstehen, die Materialien für Mensch und Umwelt mit sich bringen. Im Fokus steht auch das SSbD-Framework selbst und seine Anwendbarkeit in der Praxis. Die Empa nutzt das Wissen und forscht beim 2D-Material Graphen.
Beim Graphen, einer besonderen Form des Kohlenstoffs, ordnen sich die Atome zu zweidimensionalen Schichten an, was zu besonders vorteilhaften Eigenschaften führt. Graphen ist elektrisch leitend, nahezu transparent und besitzt eine hohe Zugfestigkeit. Seit seiner erstmaligen Synthese im Jahr 2004 wird das Material intensiv erforscht. Seine Auswirkungen auf Mensch und Umwelt wurden in einem EU-«Graphene Flagship»-Projekt mit Empa-Beteiligung eingehend untersucht.
In einem nächsten Schritt wenden die Empa-Forscher 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.»
Das SSbD-Konzept ist nicht neu. Die Sicherheit und Nachhaltigkeit von Graphen war bereits im Flagship-Projekt ein wichtiges Thema. Neu ist nun die Zusammenführung dieser Themen im «SSbD-Framework», das der Industrie nachhaltige und sichere Innovationen ermöglichen soll. «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». Es ging also nicht nur darum herauszufinden, ob Graphen an sich sicher und nachhaltig ist.
Ein Name, viele Materialien
Versuche von Empa-Forschenden rund um Peter Wick zeigen: Zweidimensionale Partikel, hier Graphenoxid, können in der Lunge von den körpereigenen Fresszellen aufgenommen, wie ein Blatt Papier zusammengeknüllt und aus dem Körper hinausbefördert werden. Bild: Empa
Sicheres Graphen
Die Aufgabe wurde immer komplexer, denn durch die 20-jährige Forschung und Entwicklung kamen zum reinen Graphen viele weitere Produkte hinzu, sogenannte Graphen-ähnliche Materialien. Neben dem reinen Graphen gibt es noch Graphenoxid, reduziertes Graphenoxid, «Few-Layer-Graphene», das aus mehreren Schichten besteht und viele andere. Die Begriffe sind nicht eindeutig definiert und sogar 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.»
Wichtig zur Beurteilung der Sicherheit beim Menschen ist der Weg, auf dem das Material in den Körper gelangt. Unterschieden wird, ob es es inhaliert oder als Teil eines Medikaments direkt in die Blutbahn gespritzt wird, über die Nahrungskette in den Verdauungstrakt gelangt oder auf die Haut appliziert wird. «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.
Zugänglich und zuverlässig
Empa-Forscher Peter Wick. Bild: Empa
«Die Tools und Modelle, welche für die Bewertungen im SSbD-Framework eingesetzt werden können, wurden hauptsächlich für Chemikalien entwickelt», sagt Fiorella Pitaro. Im Gegensatz zu den Chemikalien, bei denen vor allem die Molekülstruktur die Eigenschaften bestimmt, sind bei Materialien wesentlich mehr Faktoren wichtig. Oberflächenbeschaffenheit, Form und Grösse der Partikel, die Art der Verarbeitung und vieles mehr haben einen Einfluss. Die Empa-Forschenden wollen deshalb die bestehenden SSbD-Werkzeuge so weiterentwickeln, dass sie auch auf Materialien angewendet werden können.
Mit SSbD will man nachhaltige und sichere Innovationen 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 zu gewährleisten, braucht es weitere Forschung. Die Empa-Teams arbeiten in unterschiedlichen Projekten an daran.
In vielen Bereichen und Anwendungen scheint das Graphen sicherer und nachhaltiger zu sein als die heute verwendeten kohlenstoff-basierten Alternativen. Obwohl die Forscher zuversichtlich gestimmt sind, mahnen sie zur Vorsicht, es uneingeschränkt in die Umwelt freizusetzen. «Wir wissen noch nicht alles», so Empa-Forscher Wick.
