Süper Malzeme Grafen Nedir? Hangi Alanlarda Kullanılır?
Günümüzde bilim ve teknoloji hızla gelişirken, bu ilerlemenin en önemli parçalarından biri de yeni malzemelerin keşfi ve kullanımıdır. Eğer bir malzeme keşfedilecek ve bambaşka bir çağa geçiş yapacağız denseydi, bu malzeme kesinlikle grafen olurdu. Son yıllarda adını sıkça duyduğumuz bu malzeme, oldukça özel bir yapıya sahiptir. Karbon atomlarının sadece tek bir katman halinde altıgen bir düzenle sıralanmasıyla oluşan grafen, hem dayanıklı hem de çok yönlü bir malzeme olarak öne çıkmaktadır.
Grafen Nasıl Keşfedildi?
Grafen, Manchester Üniversitesi araştırmacıları olan Rus bilim insanları Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından keşfedilmiştir. Yalnızca 1 atom kalınlığında inanılmaz derecede ince bir karbon tabakası olan tek bir grafit tabakasını izole edip edemeyeceklerini görmek isteyen Geim ve Novoselov basit bir bant kullanarak bu keşfi gerçekleştirmiştir. Grafeni grafitten ayırarak yeterli miktarda üretimini gerçekleştiren bilim insanları bu keşif sayesinde 2010 yılı Nobel Fizik Ödülü’nü kazanmıştır.
Geim, keşifte kullanılan tekniği şu şekilde açıklar: ‘Grafitin üzerine bantı yapıştırıp üst tabakayı sıyırıyorsunuz. Bandınızda çıkan grafit pullarını göreceksiniz. Sonra bandı ikiye katlayıp üstteki pullara yapıştırıyorsunuz ve tekrar ayırıyorsunuz. Bu işlemi 10-20 kez tekrarlıyorsunuz. Her defasında pullar giderek daha ince pullara ayrılıyor. En sonunda bandınızın üzerinde çok ince pullar kalıyor. Bandı çözüyorsunuz ve her şey solüsyon haline geliyor.’ İşte bant yöntemi sayesinde tek katmanlı bir karbon tabakası izole edilerek şu anda dünyadaki en güçlü, en dirençli, en hafif ve en iletken malzeme olduğu kabul edilen grafen adlı süper malzeme ediliyor. Kim bilir, belki bu yöntemle keşfedilmeyi bekleyen daha birçok malzeme vardır.
Grafenin Teknik Özellikleri Nelerdir?
Grafen, tek atom inceliği (0.335 nanometre) ve 2 boyutlu karbon atomu tabakası ile dikkat çekmektedir. Bu sebeple bilinen en ince ve en hafif malzemedir. O kadar incedir ki 1 gramı yaklaşık 1299 m2 yüzey alanına sahiptir. Karbon dizilimi, karbon atomlarının kovalent bağ ile bağlanması ve altıgen bal petekleri şeklinde örülmesiyle oluşur. 2 boyutlu olması esneklik ve sağlamlık özelliklerini ön plana çıkarır. Bu sayede çok küçük ve ince hale getirilebilmektedir. Atomlar arasındaki mesafe (0.142 nanometre) grafeni neredeyse bir sıvı esnekliğine sahip hale getirir.
Grafit, üst üste sıralanan süper ince saf grafen tabakalarından meydana gelmektedir. Grafen ve grafit arasındaki fark ise grafenin 2, grafitin 3 boyutlu olmasıdır. Yani grafeni çok daha ince bir grafit tabakası olarak tanımlayabiliriz.
Mucize malzeme grafen, 130 GPa çekme dayanımı ve 1 TPa Young modülü sayesinde çelikten yaklaşık 100-200 kat daha dayanıklıdır. Küçük ölçekte üst düzey gerilme direncine sahiptir. Bununla birlikte ince bir kristalize çeliğe göre parçalanması 6-7 kat daha zordur. Yüksek elektron mobilitesi (200.000 cm2/V.s) sayesinde elektrik iletkenliği bakırdan yüzlerce kat daha fazladır. Isıyı ise elmastan çok daha güçlü bir şekilde (3000-5000 W/mK) iletir. Bu sebeple teknolojik potansiyeli oldukça yüksektir.
Grafen, karbon atomlarının bağlanma şekli sebebiyle elektriği çok iyi iletmektedir. Her karbon atomu bağlanmak için 4 elektrona sahiptir. Ancak bu elektronlardan yalnızca 3 tanesi komşu karbon atomlarıyla paylaşılmaktadır. Kalan 1 elektron pi elektronu olarak adlandırılır ve 3 boyutlu uzayda serbestçe hareket edebilir. Bu da elektrik yüklerinin grafen tabakası boyunca neredeyse hiç direnç göstermeden iletilmesine izin verir.
Grafen Nasıl Üretilir?
Üstten Aşağı (Top-Down) Yöntemleri
İlk olarak Geim ve Novoselov tarafından uygulanan mekanik eksfoliasyon yöntemi, grafit tabakalarının mekanik yollarla ayrılması prensibine dayanır. Bant yöntemiyle izole edilen grafen, laboratuvar düzeyinde yüksek kalite sağlar fakat ölçeklenebilirliği düşüktür.
Bir diğer yöntem olan kimyasal eksfoliasyon ile grafit, güçlü oksitleyiciler ile grafen oksit haline dönüştürülmektedir. Sonrasında ultrasonik dispersiyon ve indirgeme (örneğin hidrazin ile) işlemleriyle indirgenmiş grafen oksit elde edilir. Bu yöntem, büyük ölçekli üretim için uygundur ancak malzemenin kristal bütünlüğü bozulabilir.
Alttan Yukarı (Bottom-Up) Yöntemleri
Grafen üretimi dünyada genel olarak kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemiyle gerçekleştirilmektedir. Bu yöntemde metan gazı ile 1000°C’ye kadar ısıtılan bakır elementi reaksiyona girer. Metan gazında bulunan karbon atomları sayesinde bakır yüzeyinde grafen oluşumu gerçekleşir. Tek katmanlı ve geniş yüzeyli grafen üretimi açısından en yaygın ve kontrollü yöntemdir.
Epitaksiyel yöntemde ise silisyum karbür (SiC) altlık üzerinde yüksek sıcaklıkta ısıl işlem uygulanarak yüzeydeki Si atomlarının buharlaşması sağlanır. Geriye kalan karbon atomları grafen tabakası oluşturur. Bu yöntem yüksek kalite sağlar ancak üretim maliyeti yüksektir.
Yüksek kalitede ve büyük miktarda grafenin üretimi oldukça zordur. Bu sebeple yüksek miktarda çıktı elde etmek için seçilen en iyi yöntem zor ve zaman alıcı olsa da grafen oksidin indirgenmesi yöntemidir. Bu yöntem ile verimli bir üretim gerçekleştirilmesi için sıcaklık, işleme süresi, indirgeyici türü ve oranı gibi parametreler oldukça önemlidir.
Türkiye’nin ilk grafen seri üretim tesisi Nanografi firması tarafından hayata geçirilmiştir. Yıllık 100 ton üretim kapasitesi bulunan Nanografi firması, çevre dostu ve uygun maliyetli üretim yöntemi sayesinde Avrupa’nın önde gelen tesisleri arasına girmiştir. Şirket Airbus, LG gibi dev firmalar ile Harvard, Stanford gibi önemli üniversitelere ihracat gerçekleştirmektedir. Gram başına ihracat değeri yaklaşık 150 dolardır.
Grafen Hangi Alanlarda Kullanılır?
Günümüzdeki en modern sorunlardan biri akıllı telefonların batarya kullanım süresinin çok kısa olmasıdır. Bunun nedeni, lityum iyon pillere güç sağlayan elektrokimyasal işlemin çok fazla ısı üretmesidir. Grafen sayesinde daha küçük boyutlu, uzun ömürlü bataryaların üretimi ve ultra hızlı şarj yeteneği geliştirilebilecektir. Dünyanın en iletken malzemesi olduğundan şarj esnasında veya kullanım sırasında çok daha az ısı üretir.
Transistörler ne kadar küçük olursa devrede o kadar iyi performans gösterirler. Grafen sayesinde dünyanın en küçük transistörleri elde edilebilecektir. Grafen, silikondan yapılan mevcut bilgisayar çipleri için var olan teknolojinin yerini alabilecektir. Ayrıca sensörler için ideal bir malzemedir. Grafen temelli sensörlerin yüksek duyarlılığı sayesinde bu sensörler kimyasal savaş malzemeleri ve patlayıcıların tespitinde kullanılabilecektir. Bununla birlikte tabiki biyosensörler de oldukça önemli. İnsülin seviyeleri veya kan basıncı gibi gerçek zamanlı sağlık verilerini izlemek için kan dolaşımına enjekte edilebilen inanılmaz derecede ince ve esnek bir çip üretimi mümkün. Yaklaşmakta olan bir epileptik nöbeti tespit etmek ve hatta önlemek için beyne ileri-geri sinyaller gönderen bir grafen arabirimi tasarımı da olası.
Grafenin Çok Çeşitli Alanlarda Kullanımı Mümkün
Grafenin kızılötesi, ultraviyole ve görünür ışıklara duyarlılığı sayesinde fotoğrafçılıkta kullanılması da mümkündür. Fotonik, zaten grafen içeren başka bir alandır. Grafeni ışığa duyarlı çiplere entegre ederek, kameralar ve diğer sensörler, görünür ve görünmez spektrumdaki en zayıf ışık dalgalarına bile duyarlılığı büyük ölçüde artırabilmektedir. Bu, yalnızca kameraların ve teleskopların görüntü kalitesini değil aynı zamanda tıbbi görüntüleri de iyileştirecektir.
Filtrasyon, grafenin bir başka umut verici uygulamasıdır. Grafen polimerlerle yapılan basit su arıtma filtreleri, içme suyundaki organik ve inorganik kirleticileri bağlayabilmektedir. Ayrıca bazı araştırmacılar, tarımsal amaçlı kullanım için deniz suyunda bulunan tuzun yüzde 60’ından fazlasını çıkarabilen grafen diyotlara dayalı tuzdan arındırma teknolojileri üzerine çalışma gerçekleştirmiştir. Bununla birlikte su ve oksijen geçişini durduran grafen kaplamalarla gıdaların uzun süre taze kalması sağlanabilecektir. Ayrıca CO2 tutma teknolojilerinde kullanımı da mümkündür.
Grafen, telefon ve tablet gibi cihazlardaki dokunmatik ekranların geliştirilmesi için bir kaplama malzemesi olarak kullanılabilmektedir. Ek olarak bilgisayar donanımlarında kullanılması onları daha hızlı hale getirecektir. Esnek ve hafif olması sebebiyle, bükülebilir ekranlı elektronik cihazların kullanımı bu mucize malzeme sayesinde yaygınlaşacaktır. Giyilebilir elektronik cihazlarda güç sağlama görevinde kullanımı mümkündür.
Grafen yüksek iletkenlik, şeffaflık ve görünür ışığın %2.3’ünü absorbe edebilme özelliği sayesinde güneş pillerinde kullanılmaktadır. Bu sayede yüksek verimli enerji üretimi ve depolama işlemleri gerçekleşir. Her türlü yüzeye takılabilen esnek ve şeffaf güneş pillerinin geliştirilmesi mümkündür.
Süper Malzeme Grafen
Grafenin şeffaf yapısı, ışığı emme özelliği, suyu itme yeteneği ve birçok sıvı ve gaza karşı geçirimsizliği onun neden süper malzeme olarak tanımlandığının ispatı niteliğindedir. En küçük Hidrojen atomu bile grafen tabakasından geçemez. Süperiletkenlik gösteren çoğu malzeme, bunu yalnızca mutlak sıfır sıcaklığına yakın bir noktada yapar. Grafen, çok daha yüksek sıcaklıklarda süperiletkenlik gösterir.
MIT’de çalışmalar gerçekleştiren bir ekip bu süper malzemeye ait önemli bir özelliğe daha rastlamıştır. Çift katmanlı grafenin kullanıldığı deneyde katmanlar arasında gerçekleştirilen 1.1 derecelik bir yer değiştirme grafeni süperiletken malzeme haline getiriyordu. Süperiletkenler, elektriği herhangi bir dirençle karşılaşmadan, sıfır ısı ile ileten malzeme sınıfı olarak tanımlanır. 0 Kelvin’e yakın sıcaklıkta gerçekleştirilen bu deney sayesinde, grafenin diğer süperiletken elementlerle birleştirilerek oda sıcaklığında süperiletkenlik elde etme olasılığı artmıştır. Bu durum enerji verimliliğini radikal bir şekilde artıracaktır.
Grafenin Ticari Uygulamaları
Head firması tarafından üretilen ve grafen içeren tenis raketleri, hafif ve sağlam olması sebebiyle Novak Djokovic gibi sporcular tarafından kullanılmaya başlanmıştır. Ayrıca Vittoria firması tarafından grafenle güçlendirilmiş tekerlekler üretilmiştir. Dassi firması, standart bisikletlere göre %30 daha hafif ve 2 kat daha dayanıklı olan ve grafenden yapılan ilk bisikleti üretmiştir. Huawei Mate 20 X modelinin soğutucu sisteminde grafen film soğutma teknolojisi bulunmaktadır. Ford, F-150 ve Mustang modellerinde gürültü önlemek adına grafenli köpük kapaklar kullanmıştır. Ek olarak Vorbeck Materials firması grafen bazlı Vor-Ink devrelerini kullanan ve hırsızlığın önlenmesine yönelik geliştirilen bir cihazı 2011 yılında üretmiştir. Bu cihaz çeşitli ülkelere satıldığından dünyanın ilk grafen bazlı ticari ürünü olmuştur.
Kanserli hücrelerin erken teşhis edilmesinde ve genetik hastalıkların tedavisinde de grafenden faydalanılmaktadır. Ayrıca diyabet kontrollerinde, antibakteriyel alanlarda, diş ve kemik tedavisinde ve doğum kontrolü konusunda grafen kullanılmaktadır.
Manchester’daki bir laboratuvarda elde edilen bu süper malzeme, birçok teknolojinin sınırlarını zorlamaktadır. Grafenin keşfi sonrasında Toshiba, Samsung, Sony, IBM gibi dev firmalar patent sayılarını artırmıştır. Grafenin ticari uygulamalarda daha çok tercih edilebilmesi için büyük miktarlarda üretilmesi, üretim metotlarının geliştirilmesi, maliyet etkin yaklaşımlarla devlet desteği önemli rol oynamaktadır.
Tavsiye İçerik : Cam Katı mı Yoksa Sıvı mı? Camın Amorf Yapısı Nasıl Oluşur?
Geri bildirim: Maglev Treni Nasıl Çalışır?