Z cRICH / LONDON (IT BOLTWISE) – Empa überträgt das „Safe and Sustainable by Design“-Prinzip auf Graphen und prüft, wie sich Sicherheit und Nachhaltigkeit bei komplexen 2D-Materialien in der Praxis bewerten lassen. Die Forschenden nutzen eine breite Datenbasis aus dem Graphene Flagship, um das SSbD-Framework an Materialvarianten, Expositionswege und Werkzeuge anzupassen. Damit rückt die Frage in den Fokus, wie aus wissenschaftlichen Erkenntnissen zugängliche Prozesse für Industrie und vor allem KMU werden. Gleichzeitig warnen die Experten davor, noch nicht vollständig verstandene Umwelt- und Gesundheitsrisiken als erledigt zu betrachten.
Graphen gilt seit seiner erstmaligen Synthese 2004 als eine Art „Schweizer Taschenmesser“ der Materialwissenschaft: zweidimensionale Kohlenstoffschichten, die elektrisch leitend, nahezu transparent und gleichzeitig hochzugfest sind. Gerade weil das Material in Forschung, Prototypen und potenziellen Anwendungen so oft vorkommt, rückt aber auch eine zweite Frage nach vorne: Wie stellt man sicher, dass „leistungsfähig“ nicht automatisch „unkritisch“ bedeutet? Empa-Forschende um Peter Wick und Fiorella Pitaro nutzen nun das Prinzip „Safe and Sustainable by Design“ (SSbD), um Graphen nicht nur auf Risiken zu untersuchen, sondern die Methodik dahinter für die Anwendung am konkreten Praxisfall zu testen.
Im Kern geht es nicht um ein neues Risikokonzept, sondern um die Zusammenführung zweier Ziele in einem einheitlichen Rahmen. Die Grundidee hinter SSbD ist in der Diskussion um nachhaltige und sichere Innovation bereits bekannt; Empa betont jedoch die Neuheit der systematischen Verknüpfung im „SSbD-Framework“, das der Industrie nachhaltige und sichere Entwicklung erleichtern soll. Dabei greifen die Forschenden auf die Datenlage aus dem EU-„Graphene Flagship“ zurück, in dem die Sicherheit bereits eine zentrale Rolle spielte. Neu ist die wissenschaftliche „Industrie-Brille“: Wo ist das Framework bereits brauchbar, und wo muss es vereinfacht oder weiterentwickelt werden?
Die technische Herausforderung fängt schon bei der Materialbezeichnung an. „Graphen“ ist für die Bewertung in der Praxis selten ein einzelnes, klar definiertes Material, sondern eher ein Dach ff verschiedene Varianten. Neben reinem Graphen existieren Graphenoxid, reduziertes Graphenoxid, Few-Layer-Graphene mit mehreren Schichten und weitere graphenähnliche Materialien. Selbst die Begrifflichkeiten können uneindeutig sein und mehrere leicht unterschiedliche Strukturen abdecken. Empa argumentiert daher, SSbD gerade davon profitieren zu lassen: Die Forschenden können Daten zu Materialsubklassen vergleichen und das Schadpotenzial in Beziehung zur Struktur setzen, um im Idealfall ff konkrete Anwendungen die sicherste Variante auszuwählen.
Ein zweiter technischer Hebel liegt in der Exposition: Nicht nur das Material selbst entscheidet über das Risiko, sondern auch der Weg in den menschlichen Körper. Wird Graphen inhaliert, gelangt es als Bestandteil eines Medikaments direkt in die Blutbahn, oder wandert es über die Nahrungskette in den Verdauungstrakt? Gelangt es über die Haut in Kontaktzonen? Empa macht damit deutlich, dass SSbD in der praktischen Bewertung eng mit dem Anwendungsszenario verbunden ist, weil davon abhängt, ob, wie und in welchen Mengen Exposition stattfindet. Diese Logik ist entscheidend, weil das Framework andernfalls zu generisch bleibt und damit in Regulatorik und Beschaffung nur eingeschränkt belastbar ist.
Damit das SSbD-Framework in der Industrie wirklich greift, muss es zudem „materialtauglich“ werden. Empa verweist darauf, dass die in den Bewertungen eingesetzten Tools und Modelle ursprünglich vor allem für Chemikalien entwickelt wurden. Bei Chemikalien dominiert meist die Molekülstruktur als Eigenschaftenstreiber; bei Materialien kommen dagegen deutlich mehr Faktoren zusammen: Oberflächenbeschaffenheit, Partikelgröße und -form, sowie Herstellungs- und Verarbeitungswege. Das bedeutet ff die KI- und Datenstrategie der kommenden Jahre: Nicht nur Klassifikation, sondern auch die Erfassung und Modellierung struktureller, prozessbedingter und expositionsbezogener Parameter wird wichtiger. Genau hier will Empa ansetzen und bestehende SSbD-Werkzeuge so weiterentwickeln, dass sie übertragen und vergleichbar werden können.
Im Marktkontext ist der Ansatz besonders relevant, weil Unternehmen zunehmend von „Proof of Value“ hin zu „Proof of Safety“ wechseln müssen. Wettbewerber entlang der Wertschöpfungskette ben Druck aus: Einige große Material- und Chemieakteure arbeiten längst an Standardisierung, unter anderem über Teststrategien und Datenanreicherung ff regulatorische Anforderungen. Zugleich zeigen Marktbeobachter, dass viele Initiativen an einem ähnlichen Engpass leiden: Daten sind vorhanden, aber die Übersetzung in ein durchgängiges, leicht nutzbares Bewertungs- und Dokumentationssystem ist aufwendig. Empa versucht genau diese Brücke, indem das SSbD-Framework am konkreten Praxisfall „Graphen & graphenähnliche Materialien“ geprüft und schrittweise so angepasst werden soll, dass es ff Anwender mit unterschiedlichen Ressourcen zugänglich wird.
Historisch ist die Idee, Sicherheit früh in Entwicklungszyklen zu verankern, nicht völlig neu. Bereits frühe Debatten zu „benign by design“ und zu vorsorgender Chemikalienbewertung zeigen, dass die Branche versucht, nicht erst am Ende zu reagieren. Neu ist der Umfang, in dem SSbD heute als Rahmen diskutiert wird, weil Datenübersichten zu Materialien, standardisierte Bewertungslogiken und die verstärkte Aufmerksamkeit ff Nachhaltigkeitskennzahlen zusammenkommen. Gerade bei Nanomaterialien und 2D-Stoffen wird deutlich, warum: Übertragbarkeit ist fragil, und damit steigt die Bedeutung sauberer Struktur-Abgrenzung, belastbarer Expositionsannahmen und nachvollziehbarer Modellparameter. Empa benennt zudem explizit, dass es trotz guter Hinweise noch nicht „alles“ ist und ein vorschneller Schluss unzulässig bleibt.
Ff die nächsten Schritte zeichnet sich ein klarer Zukunftspfad ab: Das SSbD-Framework soll zugänglicher und einfacher werden, damit die Industrie übernehmen kann, insbesondere auch KMU. Gleichzeitig muss die Zuverlässigkeit der Aussagen zu Sicherheit und Nachhaltigkeit hoch bleiben, was in der Praxis bedeutet, dass vereinfachte Workflows ohne Qualitätsverlust nur durch bessere Daten- und Modellabdeckung realistisch sind. Regulatorisch wirkt das wie ein Beschleuniger: Wenn Unternehmen Bewertungen früh und dokumentierbar vorlegen können, sinken Reibungsverluste in Zulassung, Einkauf und Risikokommunikation. Die langfristige Implikation lautet damit: Graphen und andere 2D-Materialien werden perspektivisch nicht nur nach Leistung ausgewählt, sondern nach nachweisbarer, anwendungsspezifischer Sicherheits- und Nachhaltigkeitslage.
In der wissenschaftlichen Einbettung verweist Empa auf Arbeiten zur Umweltsensitivität und zu Gesundheitswirkungen von Graphen und anderen 2D-Materialien sowie auf die Anwendung des SSbD-Frameworks. Dazu gehört beispielsweise: Environmental and Health Impacts of Graphene and Other Two-Dimensional Materials: A Graphene Flagship Perspective (ACS Nano, 2024) und die Studie zur Framework-Anwendung: The safe and sustainable by design framework applied to graphene-based materials (Environment International, 2025). Empa macht damit deutlich, dass SSbD nicht als abstraktes Schlagwort verstanden wird, sondern als methodische Brücke zwischen Daten, Modellierung und praktischer Entscheidungsfindung.
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