安全且可持续的设计：以石墨烯为例

石墨烯是材料科学领域名副其实的奇才。这种碳的形态中，原子自发排列成二维层状结构。这赋予了石墨烯诸多优势特性：它具有导电性、近乎透明，且抗拉强度极高。自2004年首次合成以来，这种材料一直是密集研究的对象，Empa也不例外。在Empa研究人员参与的欧盟石墨烯旗舰项目中，其对人类健康和环境的影响已得到了详细研究。

如今，Empa的研究人员更进一步，将“安全与可持续设计”（SSbD）原则应用于这种新型材料。“石墨烯是一个很好的例子，因为关于它的研究和数据已经非常丰富，”Empa健康纳米材料实验室负责人彼得·维克（Peter Wick）解释道，“作为‘石墨烯旗舰’项目的一部分，我们已经研究这种材料十年了。”

Empa科学家彼得·维克（Peter Wick）

该研究人员接着指出，SSbD概念背后的基本思想并非新鲜事物：石墨烯的安全性和可持续性早已是该旗舰项目的核心主题。真正的新颖之处在于将这些议题整合到SSbD框架中，该框架旨在推动工业领域的可持续与安全创新。

因此，Empa的研究人员并不（仅仅）关注石墨烯本身是否安全且可持续。“我们希望利用现有的丰富数据，检验SSbD框架的适用性，并找出该框架在哪些方面可以进一步发展和简化，”Empa技术与社会实验室的研究员菲奥雷拉·皮塔罗解释道。

一个名称，多种材料

这项任务相当复杂：得益于过去二十年的深入研发，除了纯石墨烯外，还衍生出一系列相关产品，即所谓的“类石墨烯材料”。既有纯石墨烯，也有氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、少层石墨烯等众多种类。甚至这些术语本身也并非总是清晰明确，有时可能指代几种略有差异的材料。

除了单层石墨烯外，还有一系列具有类似功能的石墨烯材料。这张彩色扫描电子显微镜图像显示了一个少层石墨烯颗粒（蓝色）。

这种多样性既是挑战，也是SSbD应用的一大优势。“我们可以对比这些材料子类的数据，从而得出关于特定变体危害潜力与其结构之间关系的结论，”维克解释道。“由于它们往往具有相似的功能，因此理想情况下，每种应用都可以选用最安全的石墨烯形式。”

材料进入人体的途径对于评估其安全性也至关重要：它是通过吸入进入，还是作为药物成分直接注入血液？它是通过食物链进入消化道，还是直接涂抹于皮肤？“为了可靠地评估对人类的风险，我们需要了解该材料的使用方式，”维克表示。这是因为应用方式决定了接触是否发生、以何种方式发生以及接触量是多少。

易于获取且可靠

“SSbD框架中可用于评估的工具和模型主要针对化学品开发的，”菲奥雷拉·皮塔罗指出。虽然分子结构是决定化学品性质的主要因素，但在材料领域，还有更多因素会产生影响：表面性质、颗粒形状与尺寸、加工类型等等。因此，Empa研究人员的另一个目标是进一步开发现有的SSbD工具，使其也能应用于材料领域。

SSbD的目标是推动可持续且安全的创新。彼得·维克表示：“为了让工业界，尤其是中小企业能够应用该框架，它必须变得更加易于获取且更简单。”尽管如此，该框架对材料和化学品的安全性及可持续性所作的评估应尽可能可靠。要协调这些相互矛盾的要求，还需要进一步的研究——这也是Empa团队正在多个项目中致力于解决的问题。

关于石墨烯的安全性和可持续性，专家们持谨慎乐观的态度。在许多领域和应用中，这种材料似乎比目前使用的碳基替代品更安全、更可持续。但他们提醒，这并不意味着可以无限制地将其释放到环境中。“我们目前还无法掌握全部信息，”Empa研究员维克表示。