Gefahrencheck für den Wunderstoff

Der einfache Kohlenstoff Graphen soll die Industrie revolutionieren. Empa-Forscher untersuchen nun auch an menschlichen Plazentas, ob das «Wundermaterial» unschädlich ist.

Graphenband aus einzelnen wabenförmigen Schichten, die jeweils ein Kohlenstoffatom dick sind. Foto: Empa

Graphenband aus einzelnen wabenförmigen Schichten, die jeweils ein Kohlenstoffatom dick sind. Foto: Empa

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Die Erwartungen sind riesig. Wahre Wunder erhoffen sich die Materialwisssenschaftler und Physiker von diesem einfachen Kohlenstoff mit Namen Graphen. So nennen die Forscher das Material, das entsteht, wenn von einem Grafitstück eine zweidimensionale Schicht produziert wird, die ein Kohlenstoffatom dick ist. Die Eigenschaften von Graphen sind verblüffend: Es ist das dünnste Material der Welt, ultraleicht und trotzdem vielfach stärker als Stahl. Es ist biegsam und dennoch härter als ein Diamant. Es leitet bis zu 1000-mal besser als Kupfer.

Noch ist kein industrielles Produkt gefertigt, dennoch scheinen die Anwendungsmöglichkeiten unendlich: schnellere Datenübertragung, leichtere Batterien, kleinere Schaltelemente für Computer, effizientere Solarzellen, widerstandsfähigerer Beton.

Die «Wunder» des Kohlenstoffs werden gerne veröffentlicht und beschrieben, über die Gefahren des Nanomaterials, das 100 000-mal dünner ist als ein Haar, ist hingegen bis anhin wenig bekannt. Grundsätzlich stellen sich bei Graphen die gleichen Fragen wie bei ­allen anderen Nanopartikeln: Besteht die Gefahr, dass bei der Arbeit Partikel in die Atmungssysteme gelangen oder gar die Blut-Hirn-Schranke überwinden? Kann Graphen durch menschliches Gewebe in den Körper eindringen? Wie viele Partikel kann eine Zelle aufnehmen, und welchen Effekt haben diese?

Harald Krug vom Eidgenössischen Materialforschungsinstitut Empa in ­Dübendorf und St. Gallen erwartet ein vergleichbares Verhalten wie bei den ­Nanotubes. Die für das Auge unsicht­baren Kohlenstoffröhrchen könnten künftig unter anderem in der Elektronikindustrie eine grosse Rolle spielen. Für Krug sind weniger die Nanoteilchen ein Problem, die kleiner als ein Tausendstelmillimeter sind, sondern mehr das Mikrometer-grosse mehrschichtige Graphen. «Nanoteilchen können von Fresszellen aus der Lunge eliminiert werden», sagt Krug. Grössere Partikel hingegen können die Lunge entzünden. «Es ist ähnlich wie bei stabilen und unzerbrechlichen Mineralfasern, zum Beispiel dem Asbest», sagt Krug. Werden sie eingeatmet, dann kann es zu Lungenentzündungen kommen, im Fall von Asbest auch zu Krebserkrankungen.

Versuche mit Zellkulturen

Noch fehlen laut Krug allerdings genügend Daten, um zuverlässige Gefahreneinschätzungen machen zu können. Die Empa-Forscher studieren deshalb im Rahmen des europäischen Graphen-Flaggschiffprojekts das gesundheitliche Gefährdungspotenzial. Dazu machen die Wissenschaftler Versuche mit tierischen und menschlichen Zellkulturen sowie Stammzellen. «Es wird keine Tierversuche bei uns geben», sagt Harald Krug. Dafür startet die Empa ein neues Projekt mit menschlichen Plazentas. Die Organe erhalten die Wissenschaftler vom Kantonsspital St. Gallen. «Damit können wir feststellen, ob Graphen je nach Grösse auch durch menschliches Gewebe dringen kann», so Krug.

Im letzten Jahr warnten US-Forscher der Brown University vor den scharfen Ecken der Graphen-Moleküle, welche die Zellmembran durchstechen könnten. Allerdings stützten sich die Wissenschaftler vor allem auf Computersimulationen. «Das hat nichts mit der Realität zu tun», relativiert Krug die neuen Erkenntnisse. Um eine Zelle zu durchdringen, brauche es auch eine Kraft, und diese würden Graphen-Moleküle aktiv nicht aufbringen. «Im Gegenteil, wir haben festgestellt, dass sich das flache Graphen auf die Zellen legt», sagt Krug.

Unbekannt ist auch, wie sich Graphen auf die Umwelt auswirkt, falls grosse Mengen zum Beispiel bei Herstellungsprozessen ins Oberflächenwasser gelangen. Forscher der Universität von Kalifornien haben entdeckt, dass zum Beispiel Graphen-Oxid im Oberflächenwasser tendenziell stabil bleibt und weiter in den Untergrund transportiert wird. «Wir wissen nicht, was geschieht, wenn dieses Material in den Boden oder ins Grundwasser gelangt», wird Jacob Lanphere in einer Mitteilung der University of California, Riverside, zitiert.

Bevor Graphen industriell verarbeitet wird, müssen solche Fragen geklärt sein, sagt Empa-Forscher Harald Krug. Noch bewegen sich die Graphen-Wissenschaftler in der Grundlagenforschung, und ­Innovationen funktionieren nur im ­Labor. Das soll sich aber bald ändern. ­Jedenfalls wurden die Budgets für entsprechende Forschungsprojekte in der EU und in den USA vervielfacht. Ebenso in Südkorea, China und Japan. Die Europäische Kommission will den industriellen Durchbruch in den nächsten zehn Jahren vorantreiben und investiert eine Milliarde Euro. Beteiligt sind 76 akademische und industrielle Forschungsgruppen aus 17 Ländern. Darunter fünf Schweizer Institute – die ETH und die Universität Zürich, die Universitäten ­Basel und Genf und die Empa.

(Tages-Anzeiger)

(Erstellt: 15.05.2014, 02:50 Uhr)

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Graphen

Das Material der Superlative

Grafit, das Material in Bleistiften, besteht aus unzähligen Schichten mit Honigwabenstruktur. Von einem 1 Millimeter dünnen Grafitstück lassen sich Millionen Lagen Graphen abschälen – Schichten, die ein Kohlenstoffatom dick sind. Die Eigenschaften dieses Materials sind herausragend: Es ist zum Beispiel weit stärker als Stahl und wasserdicht. Graphen ist so dünn, dass die Com­putertechnik weiter miniaturisiert werden könnte. Das Material leitet Wärme und Strom um Faktoren besser als Kupfer. Eine Herausforderung wird sein, grosse Graphen-Flächen mit perfekter Struktur herzustellen. Es gibt Verfahren mit Methandampf. Wird etwa Kupfer begast, so wird Kohlenstoff aus dem Methan auf dem Metall abgeschieden. (ml)

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