Polscy naukowcy pracują nad nowymi zastosowaniami grafenu
Terapie antynowotworowe, magazyny energii i baterie, materiały kompozytowe, farby antykorozyjne, a nawet kremy przeciwtrądzikowe – to tylko część rozwiązań, w których naukowcy z warszawskiego Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki należącego do Sieci Badawczej Łukasiewicz wykorzystują odpowiednio zmodyfikowany grafen płatkowy. Polscy badacze mają już w tym obszarze duże sukcesy, potwierdzone patentami i publikacjami o międzynarodowym zasięgu. Część z opracowywanych przez nich rozwiązań trafi już niedługo na rynek.
Grafen jest jedną z alotropowych odmian węgla. To płaska warstwa pojedynczych atomów węgla ułożonych w sześciokątne struktury, przypominające wyglądem plaster miodu. Jest to bardzo wytrzymały materiał, a przy tym bardzo lekki i elastyczny. Doskonale przewodzi też ciepło i prąd elektryczny. Dlatego grafen jest wskazywany jako innowacyjny materiał o całym szeregu zastosowań, który w świecie elektroniki w przyszłości mógłby zastąpić krzem. Kolejnym, szczególnie perspektywicznym obszarem jest jego wykorzystanie w biomedycynie.
– Jednym z zastosowań grafenu w kontekście biomedycznym są terapie antynowotworowe. W tym obszarze wraz z naukowcami z SGGW jesteśmy właścicielem patentu dotyczącego modyfikacji grafenu płatkowego z wykorzystaniem nanocząsteczek platyny, która ma udowodnione działanie przeciwnowotworowe. Odpowiednio przygotowany materiał może być wykorzystany jako nośnik leku, który dostaje się w miejsce zmienione nowotworowo, przylega do komórki guza, dzięki czemu platyna przenika do jego wnętrza. Nasze badania, które zostały już opublikowane w prestiżowych czasopismach o zasięgu międzynarodowym, pokazują, że guz poddany takiej terapii zmniejsza się, co świadczy o jej skuteczności – wyjaśnia w rozmowie z agencją Newseria Biznes dr inż. Adrian Chlanda, zastępca kierownika Grupy Badawczej Grafen i Kompozyty w Łukasiewiczu – Instytucie Mikroelektroniki i Fotoniki.
Zadaniem grafenu jest dostarczenie skondensowanej dawki takich cząsteczek w miejsce zmienione nowotworowo i umożliwienie wchłonięcia tych cząsteczek przez komórki nowotworowe, co doprowadza w ten sposób do ich śmierci.
– Grafen w obszarze biomedycznym może mieć wiele różnych zastosowań. Można tu wspomnieć również m.in. o medycynie regeneracyjnej, w której grafen będzie wykorzystywany do odbudowy różnego rodzaju tkanek – mówi dr inż. Adrian Chlanda.
Grafen znajduje tu zastosowanie np. jako składnik lub pokrycie nowoczesnych, trójwymiarowych rusztowań. Ich powierzchnia odpowiada za interakcje z żywą materią, czyli tkankami i komórkami. Takie zastosowanie grafenu ma umożliwić regenerację tkanki, np. kostnej.
– Aby w pełni wykorzystać potencjał grafenu płatkowego, staramy się w Łukasiewiczu – Instytucie Mikroelektroniki i Fotoniki wytwarzać z grafenu pokrycia rusztowań wykonanych z różnych materiałów, w tym: ceramicznych, metalicznych i polimerowych. Wówczas uzyskujemy efekt, dzięki któremu takie rusztowanie staje się bardziej bioaktywne i bardziej przyjazne dla komórek. Można powiedzieć, że stwarza im dom, w którym komórki bardzo chętnie mieszkają – mówi zastępca kierownika Grupy Badawczej Grafen i Kompozyty.
Naukowcy oceniają, że na wprowadzenie produktów grafenowych na rynek biomedyczny trzeba jeszcze poczekać, głównie ze względu na długi proces badań przedklinicznych i klinicznych.
– Z kolei w kontekście pandemii COVID-19 możemy potraktować grafen jako składnik maseczek medycznych. Wówczas będzie zachodził efekt fotokatalizy: dzięki naświetlaniu promieniowaniem słonecznym grafen będzie wspomagał czyszczenie materiału i pozbawiał go wszelkich grzybów, pleśni i wirusów – podkreśla ekspert.
– Potencjał grafenu obejmuje nie tylko przemysł biomedyczny, ale i kosmetyczny. Jego właściwości antybakteryjne i przeciwtrądzikowe mogłyby znaleźć bezpośrednie zastosowanie np. w kremach i maseczkach kosmetycznych – dodaje dr inż. Tymoteusz Ciuk, kierownik Grupy Badawczej Grafen i Kompozyty w IMiF.
Naukowcy pracują także nad materiałami kompozytowymi z dodatkiem grafenu, który sprawia, że są one bardziej wytrzymałe. Z pasty grafenowej, czyli zawiesiny o bardzo dużym stężeniu, są w stanie wytworzyć papier grafenowy, który może mieć zastosowanie w odprowadzaniu ciepła z urządzeń elektronicznych. Wydajne odprowadzanie ciepła z urządzeń elektronicznych niesie ze sobą dwie korzyści: poprawia jego parametry użytkowe oraz wydłuża jego żywotność.
– Liczymy, że odbiorcą naszego grafenu będą przede wszystkim rynki nowoczesnych materiałów kompozytowych, gdzie grafen płatkowy pod postacią zredukowanego tlenku grafenu mógłby istotnie poprawić właściwości mechaniczne przy jednoczesnym zmniejszeniu wagi. Myślimy tu m.in. o konstrukcjach kadłubów łodzi, katamaranów, ale także ultralekkich samolotów – dodaje dr inż. Tymoteusz Ciuk.
Inne potencjalne zastosowanie grafenu to magazyny energii i baterie.
– Grafen może być wykorzystany jako podstawowe elementy – czyli katoda i elektroda – budujące baterię. Możemy też zastosować go jako warstwę wierzchnią ogniwa, dzięki czemu bateria będzie szybciej odprowadzać ciepło i wolniej się nagrzewać. Gdybyśmy pomyśleli o powerbanku wytworzonym z grafenu, ładowałby się on szybciej, przy okazji szybciej ładując też nasze urządzenia, umożliwiając ich dłuższą i bezpieczniejszą eksploatację – wyjaśnia dr inż. Adrian Chlanda. – Innym zastosowaniem, nad którym pracujemy, są lakiery antykorozyjne oraz smary. W naszym portfolio posiadamy patent wraz z naukowcami z WAT i Łukasiewicza – IMP na wodorozcieńczalny lakier z dodatkiem grafenu. Jego działanie antykorozyjne zostało już udowodnione, więc za jakiś czas będziemy w stanie zaproponować ten produkt komercyjnie.
Łukasiewicz – Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki ma wieloletnie doświadczenie w badaniach nad grafenem płatkowym. Grafen może występować w formie roztworu lub po wysuszeniu – w formie proszku o różnej wielkości płatków, dlatego znajduje tak dużo potencjalnych zastosowań. Żeby możliwe było wykorzystanie go w produktach biomedycznych, konieczne jest zagwarantowanie wysokiej jakości (czystości) i powtarzalnych właściwości finalnego materiału. Na tym i obniżeniu kosztów produkcji skupiają się naukowcy warszawskiego instytutu, by umożliwić wdrożenie produktów na bazie grafenu na rynek.
– To, co wyróżnia Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki, to dostęp do wysokiej klasy aparatury ulokowanej w nowoczesnych laboratoriach. Dzięki temu jesteśmy w stanie zaproponować materiał szyty na miarę. Wyobrażamy sobie, że firma, która się do nas zgłosi, zaprezentuje swój pomysł na budowanie przewagi rynkowej, a my wykorzystując własne doświadczenie i wiedzę, opracujemy dedykowany materiał, który będzie spełniał narzucone wymagania, a także pozwoli wyróżnić się na tle konkurencji – podkreśla dr inż. Tymoteusz Ciuk.
