Grafeen: het volgende DDT?

De toekomst zit ‘m in het kleine. Het microscopisch kleine. Geen science fiction verhalen over dystopische metropolen, waar grijze gebouwen boven het hoofd uittorenen en zelfvliegende auto’s razen. In de werkelijkheid zijn nanopartikels het geluid van de toekomst. En al worden ze vaak gezien het als wondermateriaal van de toekomst, er moet tijd worden genomen om de potentiële gevaren van deze nieuwe deeltjes te onderzoeken.

Hoe groot is de kans dat ze schade veroorzaken in het lichaam? In een wereld waar partikels in de grootte van een miljardste meter heersen is dit geen onterechte vraag. Het technologisch vooruitzicht speelt zich op nanoschaal af en er zijn al een redelijk aantal producten waar nanodeeltjes in verwerkt zitten op de markt verschenen. Zonnebrandcrème met zinkoxide als betere uv beschermer. Zilverdeeltjes die gebruikt worden voor hun antibacteriële eigenschappen. Nanodeeltjes met medische toepassingen, waarbij ze binnen het lichaam als transportmoleculen gebruikt worden. En zo zijn er steeds meer en meer voorbeelden te noemen van toepassingen met deeltjes op nanoschaal.

Grafeen als superdeeltje?

Een van die partikels is grafeen. Bekend geworden in 2010 nadat Andre Geim en Konstantin Novoselov de nobelprijs in fysica gewonnen hebben voor hun onderzoek. Vanuit grafiet, te vinden in een potlood, hebben de onderzoekers een tweedimensionaal vlak van een koolstofatoom dik gevormd. Het materiaal kent vele grote voordelen. Super dun en licht, maar toch sterker dan staal. Het is een van de snelste halfgeleiders en met de juiste modificaties zelfs om te vormen tot een supergeleider. Geleiders laten elektrische stromen met weinig weerstand door. Hoe superder, hoe beter dat dit gaat.

Een toekomst met grafeen ziet er bijgevolg compleet anders uit dan in een science fiction verhaal. De deur uit willen gaan, maar alweer vergeten de gsm op te laden? Geen nood, met een batterij uit grafeen is deze binnen 5 minuten opgeladen. Een auto uit grafeen zorgt dat deze een stuk lichter, en dus energiezuiniger is. Naar de fitness gaan gaat gepaard met een grafeen plaktattoo die direct informatie geeft over de hartslag. En na het sporten langs de kapper voor een nieuwe haarkleur met, u raadt het, een kleuring van grafeen. Dit is maar een klein tipje van de sluier voor de toepassingen van dit nanopartikel. Op het moment zijn er vele onderzoeken gaande naar allerlei andere manieren waarop grafeen gebruikt kan worden. Enkele ervan zijn op de markt, maar veel ervan moeten nog in handel komen.

Al lijkt grafeen op deze manier een supermateriaal te zijn, nuance is belangrijk. Ook Dries Van Thourhout, professor binnen de informatietechnologie aan de Universiteit Gent deelt deze mening: ‘Het grote probleem is dat er heel weinig bekend is over het veilig of onveilig zijn van grafeen. Hier zijn ik en al mijn collega’s zich van bewust. Daarom hebben wij in onze laboratoria sterke voorzorgsmaatregelen genomen om te voorkomen dat grafeen zomaar in de omgeving terecht komt.’ Ook over het toekomstbeeld dat vaak via media geschetst wordt over grafeen blijft Van Thourhout voorzichtig: ‘Grafeen moet veel van z’n beloftes nog waarmaken. Bij mijn weten moeten we nog geen auto’s uit grafeen verwachten en ook aan de batterij is er nog veel werk.’

Onheil op nanoschaal

Over de veiligheidsrisico’s van grafeen op mensen kan er op dit moment enkel gespeculeerd worden. Wat weten we dan wel? ‘Grafeen is een heel dun laagje koolstofatomen,’ legt Van Thourhout uit. ‘Dat is chemisch gezien niet vervuilend of gevaarlijk als je het vergelijkt met andere stoffen. Volgens mij zit het gevaar dus niet in de koolstof zelf. Het mogelijke gevaar zit eerder in hoe de koolstofatomen onderling gebonden zijn.’

Dat de manier waarop koolstofatomen met elkaar verbonden zijn een gevaar kunnen vormen zie je terug bij koolstofvezels. De vezels bestaan uit langgerekte koolstofkristallen. Net als grafeen zijn de vezels zeer sterk en licht, met grote technologische voordelen. Ze zijn goed bruikbaar in de luchtvaartmaatschappij, in sportartikelen of bij auto’s. Maar niet zonder gevaar.

‘Eigenlijk moet je koolstofvezels vergelijken met asbest,’ vertelt Alain Pardon, veiligheidsingenieur aan het IMEC. ‘De vezels zijn niet bio-oplosbaar waardoor ze eenmaal in het lichaam niet afbreken. Komen ze bij ademhaling in de longen terecht blijven ze daar vasthangen.’

Al worden koolstofvezels soms grafietvezel genoemd, de twee materialen hebben weinig met elkaar gemeen. Zo heeft grafiet geen vezelachtige structuur en is het veel zachter. Maar toch moeten we voorzichtig blijven. Er zijn commerciële toepassingen waarbij grafeen als droog poeder geproduceerd wordt. Blootstelling via de longen vormt een risico. Dit volgens een document opgesteld door het Rijksinstituut van Volksgezondheid en Milieu (RIVM) in Nederland. In 2007 is hier het Kennis-en Informatiepunt Risico’s van Nanotechnologie (KIR-nano) opgericht, met als doel te informeren over de risico’s van nanomaterialen.

Er wordt gewaarschuwd voor de mogelijke nefaste effecten van het droge poeder. Doordat grafeen zo lichtgewicht is, zullen de plaatjes lang in de lucht blijven zweven. Zo kunnen ze gemakkelijk ingeademd worden en in de longen terecht komen. Deze plaatjes zijn nog relatief groot waardoor verwijdering door het afweersysteem van het lichaam niet mogelijk is. Net als bij asbest- en koolstofvezels kan dit leiden tot ontstekingsreacties met ernstige long- of longvliesziektes tot gevolg. Al zijn de risico’s voor mensen niet bekend, onderzoek op muizen toont dat directe blootstelling aan grafeen in de longen daadwerkelijk ontstekingen veroorzaakt.

Niet enkel de structuur van een nanomateriaal, maar ook de reactiviteit van het materiaal is een mogelijke indicatie voor de schadelijke effecten op het lichaam. Hoe reactiever een stof is, hoe meer deze andere stoffen aantrekt. Komt deze in het lichaam terecht kan het reageren met het omliggend weefsel. Hierbij kunnen vrije radicalen ontstaan, dit zijn deeltjes met ongepaarde elektronen. Het elektron dat niet gepaard is wordt daardoor zeer reactief. Het lichaam maakt zelf vrije radicalen aan, bescherming hiervoor komt in de vorm van antioxidanten. Toch blijft de regel dat meer vrije radicalen in het lichaam een groter risico is op schade. Dit in de vorm van hart- en vaatziektes, kanker en beschadiging van het DNA.

De verschillende gezichten van grafeen

‘Het is lastig dat je met een enorme diversiteit aan vormen, materialen en toepassingen zit,’ zegt dr. Adriënne Sips onderzoekscoördinator voor het risico van nanomaterialen aan het RIVM. ‘Ook grafeen kent vele verschillende vormen en toepassingen. Voor elke vorm gelden er dan ook andere fysische en chemische kenmerken.’

‘Het probleem is dat je de eigenschappen op nanoschaal niet kan afleiden van het materiaal op grote schaal,’ legt Pardon verder uit. ‘De eigenschappen van al die mogelijke materialen gaan vaststellen op nanoschaal is een gigantisch werk. Het tweede probleem is dat je nanomateriaal met een bepaalde afmeting totaal andere eigenschappen heeft dan als je hetzelfde materiaal neemt op een andere afmeting.’

Ook is toxicologisch onderzoek naar nanomaterialen niet evident. Fouten zijn makkelijk gemaakt als er geen eenduidige manier is om met de verschillende gezichten van grafeen om te gaan. ‘Onderzoek naar nanomaterialen is wel even iets anders dan in de normale stoffenwereld,’ vertelt Sips. ‘We kunnen wel een paar aandachtspunten geven waar er op gelet moeten worden tijdens onderzoek en testfases van nanomaterialen.’

Een van de problemen is dat grafeen in veel van de testvloeistoffen een onoplosbare stof zal zijn. Deze is heel licht en heeft een groot oppervlak. Daardoor kan het makkelijk boven in je vloeistof drijven, terwijl de cellen die je wilt blootstellen aan tests onder in het systeem liggen. Daarmee zijn verkeerde conclusies makkelijk gemaakt, gewoon omdat het grafeen nooit bij de cellen terecht komt.

Een veilig kader

Vaak genoeg blijken stoffen die in het begin als een wonder gezien worden later toch gevaarlijk te zijn. Niet enkel asbest is hier een voorbeeld van. Ook lood en DDT, een gif tegen insecten, werden vroeger als wondermiddel gezien. Inmiddels zijn de schadelijke effecten van deze stoffen bewezen. Zo zijn de stoffen toch niet zo een mirakel als voorheen gedacht.

Om beter aan te sluiten bij de innovatiewereld is er door KIR-nano een inventarisatie gemaakt. Hierin staat opgesomd wat er over de veiligheid van grafeen bekend is. De beschrijving sluit aan bij een safe-by-design methode. ‘Het is voor ons een beetje pionieren,’ legt Sips uit. ‘Met onze review zetten we de zaken op een rij en kijken we welke kennis er is over de toxiciteit van grafeen en hoe dat aansluit bij de verschillende stadia van ontwikkeling van toepassingen. We proberen met de safe-by-design methode duidelijk te maken dat er in elk stadium voorzichtig omgesprongen moet worden met het materiaal.’

Daarnaast is communicatie tussen de verschillende spelers van belang. Binnen een Europees project, NanoReg2, proberen Sips en haar collega’s deze communicatie te versterken. ‘Als je iets nieuws ontwikkelt is er gewoon niet altijd alle kennis over,’ gaat Sips verder. ‘Door met elkaar te communiceren hopen we toch tot een bepaalde conclusie te komen over bepaalde risico’s die er zijn waar we momenteel onvoldoende oog voor hebben. En dat je misschien niet altijd helemaal in de pas loopt kan. Dat er nog veel te verbeteren valt, staat als een paal boven water. Maar door een omgeving te creëren waarin je elkaar toevertrouwt om vanalles te vertellen over jouw ideeën of product, kan je integer en objectief met informatie omgaan.’

Technologie loopt voorop

Het is duidelijk dat er nog onvoldoende bekend is over de schadelijkheid van sommige nanomaterialen. Hoe kan het dan dat een nanomateriaal waar we zo weinig over weten toch al volop wordt gebruikt in onderzoek en toepassingen? ‘Over grafeen zie ik verrassend weinig vragen,’ zegt Sips. ‘Terwijl iedereen ermee bezig zou moeten zijn als je ziet wat voor investeringen en toepassingen er zijn.’

En er is volgens de experts nog een probleem: het beleid loopt achter op de technologie. De wereld van innovatie en ontwikkeling staat los van die van de veiligheid. Aanpassingen van regelgevingen gaan met een slakkensnelheid tegenover de flitssnelheid van hoe nieuwe innovaties tot stand komen.

Volgens Pardon moet er een Europees kader komen: ‘Wanneer een producent een stof of product verkoopt waar nanopartikels in verwerkt zitten moet dit duidelijk gemaakt worden.’ Toch moeten we hier niet te ver in gaan om het risico tegen te gaan dat alle nanomaterialen in het publieke oog als schadelijk bestempeld worden. ‘Er zijn genoeg nanomaterialen die bewezen niet schadelijk zijn, doordat ze bijvoorbeeld al een lange tijd meegaan zonder problemen of wanneer wetenschappelijk onderzoek uitsluitsel kan geven,’ gaat Pardon verder. ‘Enkel de potentieel gevaarlijke nanomaterialen zouden een label moeten krijgen.’

Er zijn veel industrieën die op een heel verantwoordelijke manier met nanomaterialen omgaan. Toch schuilt er volgens Pardon nog steeds een risico binnen kleinere bedrijven: ‘Bij ons werken we met veel mensen en daarmee hebben we veel expertise. Voor kleinere bedrijven is dit niet evident. Ik denk dat we hier wel problemen kunnen zien, waarbij een product op de markt gebracht wordt waar niet goed genoeg bij is nagedacht.’

Een toekomst op nanoschaal

Het kan lijken alsof we in het donker tasten, als het over nanomaterialen gaat. Toch is nuance belangrijk, Van Thourhout: ‘De hoeveelheid van het materiaal dat we gebruiken is extreem laag. Ik denk dat mijn kinderen meer met grafeen in aanraking komen op school in het potlood dat ze gebruiken, dan wij in het laboratorium. Verder zijn er geen aanwijzingen dat onderzoekers of bedrijven op een nonchalante manier omgaan met het materiaal.’

Frankrijk, België en Zweden zijn landen die eigenhandig bezig zijn met registers voor nanomaterialen, maar enkel nationale afspraken zijn te eng. Europa wordt langzamerhand wakker geschud om internationaal samen te werken en op die manier duidelijkheid te geven. Zo is er het ‘European Union Observatory for Nanomaterials’ (EUON) initiatief opgestart waarin informatie gegeven wordt over nanomaterialen die ter beschikking staan op de Europese markt.

En zelfs dan is het niet te garanderen dat er nooit iets mis zal lopen. Dat er op het moment nog geen gevallen bekend zijn van grafeen vergiftiging bij mensen betekent niet dat het een onschadelijk materiaal is. Maar door in vroege ontwikkelingsfase van nieuwe producten met grafeen onderzoek te doen. Door mogelijkheden te bieden om ontwikkelaars en regelgevende instanties met elkaar in gesprek te laten gaan. Door kennis te delen. En door duidelijk en genoeg informatie te verschaffen naar de consument toe verkleinen we de kans op een fiasco.