Kurzfassung

Empa-Forschende wenden das «Safe and Sustainable by Design»-Prinzip (SSbD) auf das 2D-Material Graphen an. Das Projekt nutzt umfangreiche Daten aus dem EU-«Graphene Flagship»-Projekt, um die Anwendbarkeit des SSbD-Frameworks in der Praxis zu testen. Graphen ist seit seiner Synthese 2004 ein intensiv erforschtes Material mit vorteilhaften Eigenschaften wie elektrischer Leitfähigkeit und hoher Zugfestigkeit. Die Forschenden untersuchen, wie verschiedene Graphen-Varianten (reines Graphen, Graphenoxid, Few-Layer-Graphene) Mensch und Umwelt beeinflussen. Ein zentrales Ziel ist die Weiterentwicklung des SSbD-Frameworks, um es auch für KMU zugänglich und anwendbar zu machen.

Personen

  • Peter Wick (Leiter Empa-Labor «Nanomaterials in Health»)
  • Fiorella Pitaro (Empa-Forscherin, Abteilung «Technologie und Gesellschaft»)
  • Bernd Nowack (Prof. Dr., Empa «Technologie und Gesellschaft»)

Themen

  • Materialwissenschaft und Nanomaterialien
  • Safe and Sustainable by Design (SSbD)
  • Graphen und 2D-Materialien
  • Risikobewertung und Umweltverträglichkeit
  • Industrie und KMU-Innovation

Clarus Lead

Das SSbD-Framework adressiert ein wachsendes regulatorisches und innovationspolitisches Anliegen: Wie lassen sich neue Materialien bereits in der Entwicklungsphase sicher und nachhaltig gestalten, statt Risiken erst später zu managen? Die Empa-Studie demonstriert, dass etablierte Bewertungs-Tools für klassische Chemikalien auf komplexe Nanomaterialien nicht eins-zu-eins übertragbar sind – ein kritisches Gap für die Industrialisierung von Graphen-Anwendungen. Die Forderung nach Vereinfachung und Zugänglichkeit des Frameworks unterstreicht den Spannungskonflikt zwischen wissenschaftlicher Zuverlässigkeit und praktischer Anwendbarkeit.

Detaillierte Zusammenfassung

Das SSbD-Konzept ist inhaltlich nicht neu: Sicherheit und Nachhaltigkeit waren bereits im zehnjährigen Graphene Flagship zentral. Neu ist die strukturierte Zusammenfassung dieser Erkenntnisse im SSbD-Framework als operationales Instrument für Industrie und Regulierung. Die Empa-Teams nutzten die umfangreiche Datenlage zu Graphen, um das Framework zu testen und seine Lücken zu identifizieren.

Eine zentrale Herausforderung liegt in der Materialvielfalt: Neben reinem Graphen existieren Graphenoxid, reduziertes Graphenoxid und mehrschichtiges Few-Layer-Graphene – Begriffe, die teilweise überlappend verwendet werden. Dieser Pluralismus ermöglicht aber auch differenzierte Risikobewertungen: Durch Vergleich der Daten für jede Materialsubklasse lässt sich das Schadenpotenzial mit der Struktur korrelieren und für jede Anwendung die sicherste Graphen-Variante auswählen.

Die Expositionsrouten sind entscheidend für Sicherheitsaussagen. Graphen kann inhaliert, injiziert, über die Nahrungskette aufgenommen oder dermal appliziert werden. Jede Route erfordert eigene Bewertungen. Das zentrale Problem: Die bestehenden SSbD-Tools wurden primär für Chemikalien entwickelt, wo die Molekülstruktur dominiert. Bei Materialien spielen Oberflächenbeschaffenheit, Partikelform und -grösse, Verarbeitungsmethoden und weitere Faktoren eine wesentliche Rolle. Die Empa-Forschenden arbeiten daher an der Weiterentwicklung dieser Werkzeuge für Materialanwendungen.

Zur Sicherheit und Nachhaltigkeit von Graphen selbst: Die Experten äussern vorsichtigen Optimismus. In vielen Bereichen scheint Graphen sicherer und nachhaltiger als heutige kohlenstoff-basierte Alternativen – doch das rechtfertigt nicht unkontrollierte Umweltfreisetzung. Wick betont: «Wir wissen noch nicht alles.»

Kernaussagen

  • Das SSbD-Framework wird erstmals systematisch auf ein reales Nanomaterial (Graphen) angewendet, um seine praktische Anwendbarkeit zu prüfen.
  • Bestehende Bewertungs-Tools für Chemikalien sind auf komplexe Materialien mit strukturabhängigen Eigenschaften nicht direkt übertragbar.
  • Die Vielfalt von Graphen-Varianten ermöglicht differenzierte Risikobewertungen und materialspezifische Optimierungen für verschiedene Anwendungen.
  • Vereinfachung und Zugänglichkeit des Frameworks sind notwendig, damit auch KMU es nutzen können – ohne Zuverlässigkeit zu opfern.
  • Expositionsrouten (Inhalation, Injektion, oral, dermal) sind kritische Parameter für Sicherheitsaussagen und müssen anwendungsspezifisch bewertet werden.

Kritische Fragen

  1. Datenqualität/Evidenz: Welche Lücken in der toxikologischen und ökotoxikologischen Datenlage für Graphen-Varianten bestehen noch, und wie werden diese in der SSbD-Bewertung gekennzeichnet oder kompensiert?

  2. Interessenskonflikte/Unabhängigkeit: Inwiefern beeinflussen Industriepartner (erwähnt im Technology Briefing) die Entwicklung des SSbD-Frameworks, und wie wird Unabhängigkeit der Bewertungen sichergestellt?

  3. Kausalität/Alternativen: Sind die beobachteten Unterschiede in Sicherheit/Nachhaltigkeit zwischen Graphen und konventionellen Kohlenstoff-Alternativen kausal auf die Materialstruktur zurückzuführen, oder spielen Herstellungsprozesse eine ebenso grosse Rolle?

  4. Umsetzbarkeit/Risiken: Wie wird verhindert, dass die Vereinfachung des SSbD-Frameworks für KMU-Zugänglichkeit zu unkritischen oder oberflächlichen Bewertungen führt, die Risiken unterschätzen?

  5. Regulatorische Bindung: Werden die SSbD-Bewertungen der Empa zu verbindlichen Kriterien für Zulassung oder Marktzugang von Graphen-Produkten, oder bleiben sie Empfehlungen?

  6. Langzeitfolgen: Welche Mechanismen sind etabliert, um Langzeiteffekte von Graphen-Exposition (z. B. Bioakkumulation, chronische Effekte) zu erfassen, die über klassische akute Toxizitätstests hinausgehen?

  7. Skalierungseffekte: Unterscheiden sich Risiken und Nachhaltigkeitsprofile zwischen Labor-Graphen und industriell produzierten Mengen systematisch, und wie wird dies im Framework abgebildet?

Quellenverzeichnis

Primärquelle: [Empa-Medienmitteilung: «Safe and Sustainable by Design» für Graphen] – https://www.news.admin.ch/de/newnsb/akKR2PhAaEafU8fdoyimH

Ergänzende Quellen:

  1. Lin, H. et al. (2024). Environmental and Health Impacts of Graphene and Other Two-Dimensional Materials: A Graphene Flagship Perspective. ACS Nano. https://doi.org/10.1021/acsnano.3c09699

  2. Pitaro, F., Seeger, S. & Nowack, B. (2025). The safe and sustainable by design framework applied to graphene-based materials. Environment International. https://doi.org/10.1016/j.envint.2025.109345

  3. Empa Technology Briefing «Safe and Sustainable by Design» (25. Juni 2026). https://tb.empa.ch/overview

Verifizierungsstatus: ✓ 04.06.2026

Dieser Text wurde mit Unterstützung eines KI-Modells erstellt. Redaktionelle Verantwortung: clarus.news | Faktenprüfung: 04.06.2026