De schaduw van grafeen

ACHTERGROND - Het werd aangekondigd als het wondermateriaal van de 21e eeuw: grafeen. Sterker dan staal, harder dan diamant en superlicht. Maar er kleven ook risico’s aan grafeen. Lopen we te hard van stapel?

Plakband was het simpele middel dat in 2004 een kleine wetenschappelijke revolutie veroorzaakte. Natuurkundigen Andre Geim en Kostantin Novoselov vonden dat jaar per toeval uit hoe grafeen kon worden geïsoleerd. Door plakband op een potloodstreep te plakken, te verwijderen en dit voorzichtig te herhalen deden ze wat al sinds medio twintigste eeuw werd geprobeerd: het isoleren van grafeen. De twee wetenschappers wonnen hier een Nobelprijs voor. Het materiaal is namelijk 200 keer sterker dan staal, harder dan diamant, en ook nog eens superlicht, superdun en supergeleidend. Vandaar dat het wordt gezien als de opvolger van plastic: een wondermateriaal dat een tijdperk vormgeeft.

Grafeen zelf is niet nieuw, maar dat het geïsoleerd kan worden wel. En daar is de wetenschap nogal enthousiast over. Maar enthousiasme kan gepaard gaan met naïviteit. Langzamerhand wordt namelijk duidelijk dat grafeen niet alleen zonnige kanten heeft. Sommige onderzoekers voorspellen dat de kleine deeltjes afkomstig van de productie van grafeen schade aan de natuur en de menselijke gezondheid zullen veroorzaken als er van tevoren geen maatregelen worden genomen. Moeten we ons zorgen maken?

Grafeen

Grafeen is het bouwmateriaal van onder meer grafiet, de grondstof van de stiften in potloden. Het bestaat uit koolstofatomen die in een honingraatstructuur naast elkaar liggen, en dat zorgt ervoor dat het materiaal zo krachtig is (afbeelding). Deze kracht verdwijnt niet, ondanks de dunheid van het materiaal: het is slechts één atoomlaag dik. Dat maakt het isoleren van grafeen moeilijk. Het proces is momenteel moeilijk, duur en inefficiënt. Bij de huidige (experimentele) productiemethodes scheurt het materiaal nog wel eens, of wordt het twee laagjes dik waardoor de krachtige structuur vervalt.

Zodra dit proces efficiënt te maken is, zullen we zien of de door experts voorspelde toepassingen werkelijkheid worden: onbreekbare touchscreens en accu’s die binnen vijf seconden geladen zijn, maar ook zoutwater-filters om mensen van schoon drinkwater te voorzien, en de productie van supercomputers. De laatstgenoemde toepassing is relevant voor het onderzoek naar quantumcomputers. Dit zijn computers die veel krachtiger zijn dan de computers die we nu kennen. De verwachting is dat deze computers een gigantische impact zullen hebben. Zo zouden quantumcomputers bijvoorbeeld medicijnen sneller kunnen testen door te berekenen wat werkt. Dat kan een enorme versnelling geven van de medicijnontwikkeling.

Gezondheid

Tot nu toe is het hosanna, maar heeft iets met zoveel voordelen ook een prijs? De mogelijke nadelen beginnen langzaam boven water te komen. Een onderzoek uit 2013 vond dat microscopische deeltjes grafeen met hun 2D-structuur en ruwe randjes gemakkelijk een celmembraan kunnen penetreren en zo de menselijke celdeling kunnen verstoren. Net zoals asbest dat doet: de deeltjes komen in de longen terecht en kunnen door hun langwerpige vorm en grootte niet worden geweerd door de immuunsystemen van het lichaam. Zo ‘prikken’ ze zich vast in cellen, verstoren de celdeling en veroorzaken op lange termijn aandoeningen als longkanker en longontstekingen. Deeltjes grafeenoxide, hoewel afhankelijk van de grootte en vorm, kunnen ook tumorgroei in de longen veroorzaken. Daarvoor moeten we het stofje wel eerst binnenkrijgen. Dat zal niet moeilijk worden: wanneer grafeenstof namelijk in aanraking komt met lucht vormen deze twee samen grafeenoxide. Grafeenoxide is dun, verplaatst zich ontzettend makkelijk door water en lucht en kan hierdoor in no time worden ingeademd of terechtkomen in belangrijke waterbronnen van mens en dier.

Gelukkig is er ook goed nieuws: een groep internationale onderzoekers toonde in 2018 aan dat de mate waarin ons immuunsysteem grafeenoxide kan wegwerken, afhankelijk is van de lengte van deze deeltjes. Hoe kleiner ze zijn, hoe beter het afweersysteem grip op ze kan krijgen. De lengte van de deeltjes is met een ingewikkeld proces te reguleren, en het is dus zaak hier rekening mee te houden in het productieproces.

Milieu

Als de productie van grafeen veilig is voor onze gezondheid, blijft er nog een obstakel over: milieuvervuiling. De vergelijking van grafeen met plastic gaat namelijk niet alleen op voor de voordelen, maar ook voor de nadelen. Plastic is in alle hoeken en gaten van de wereld terug te vinden: zelfs op het diepste punt van de oceaan. Veel walvissen, zeehonden, vogels en andere dieren gaan eraan dood en daarmee bedreigt het ecosystemen. Willen we dan echt een materiaal maken dat nóg moeilijker verwerkt kan worden door de natuur? Ook is er bewijs dat het materiaal schadelijk kan zijn voor zeeleven. Onderzoekers van Nankai University in China observeerden onder andere een vertraagde embryogroei en skeletmisvorming in jonge zebravissen bij blootstelling aan zeer lage concentraties grafeenoxide.

Wetenschappers voerden in 2018 een grote meta-analyse uit met al het onderzoek naar de effecten van grafeen-gebaseerd materiaal op onze gezondheid en de natuur. Conclusie: we weten te weinig van de effecten en, met het oog op de negatieve gevolgen die wél zijn gevonden, is het van belang dat er meer onderzoek naar wordt gedaan voordat we op grote schaal grafeen gaan produceren. Maar vooralsnog krijgt de schaduwzijde van grafeen weinig aandacht. Wie ‘grafeen’ intypt op een nieuwssite komt vooral artikelen tegen over nieuwe toepassingen, met hierin nauwelijks vraagtekens over mogelijke risico’s.

Is het voorzorgsprincipe hier dan van toepassing? Als een nieuwe ingreep onomkeerbare schade kan veroorzaken aan de samenleving of het milieu, en hier geen wetenschappelijke consensus over is, dan ligt de bewijslast volgens dit principe bij de voorstanders van de ingreep. In dit geval zou een potentiële fabrikant van grafeen dus moeten bewijzen dat het gebruik en de productie ervan veilig is. Deze redenering is zelfs een van de uitgangspunten van Europese milieuwetgeving. Waarom wordt dit in het geval van grafeenproductie niet nageleefd? Misschien hebben we bewustzijn en vooruitdenkend vermogen nodig, meer dan de nieuwe technologieën die grafeen mogelijk zal maken.

Dit artikel van Jonas van Diepen verscheen eerder bij Studium Generale Utrecht.