Süper Malzeme Grafen Nedir? Hangi Alanlarda Kullanılır?
Eğer bir malzeme keşfedilecek ve bambaşka bir çağa geçiş yapacağız denseydi, bu malzeme kesinlikle grafen olurdu. Son yıllarda önemi daha da artan bir süper malzeme olan grafen nedir? Grafenin özellikleri nelerdir? Grafen nasıl üretilir ve hangi alanlarda kullanılır? Tüm bu soruların cevabını makalemizde bulabilirsiniz.
Süper Malzeme 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. Evet kalemliğinizde veya çekmecenizde bulunan şeffaf bantın aynısı. 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 (0.34 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 2630 metrekare yüzey alanına sahiptir. Karbon dizilimi, karbon atomlarının kovalent bağ ile bağlanması ve 2 boyutlu altıgen bal petekleri şeklinde örülmesiyle oluşur. 2 boyutlu olması esneklik ve sağlamlık özelliklerini ön plana çıkarır. Bu sayede çok küçük ve çok ince hale getirilebilmektedir. Atomlar arasındaki uzaklık (0.142 nanometre) grafeni neredeyse bir sıvı esnekliğine sahip hale getirir.
Grafen tabakaları bir araya geldiğinde, kurşun kalemlerin ucunda kullanılan grafit oluşur. Grafit, üst üste sıralanan süper ince saf karbon 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, çelikten yaklaşık 200 kat daha dayanıklıdır. Küçük ölçekte üst düzey gerilme direncine sahiptir. Bununla birlikte ince bir kristalize çeliğe göre parçalanması 6-7 kat daha zordur. İçindeki elektronlar oda sıcaklığında kütlesiz parçacık gibi davrandığından kendine has özellikleri ortaya çıkar. Isı ve elektrik iletkenliği çok yüksektir. Yüksek elektron mobilitesi sayesinde elektrik iletkenliği bakırdan yüzlerce kat daha fazladır. Isıyı ise elmastan 2 kat daha fazla iletir. Bu sebeple teknolojik potansiyeli oldukça yüksektir. Henüz yaygınlaşmamış olmasının sebebi ise tahmin edebileceğiniz üzere maliyet.
Peki grafen neden elektriği bu kadar iyi iletiyor? Tabiki karbon atomlarının bağlanma şekli yüzünden. 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?
Grafen üretimini gerçekleştirmek için kullanılan bazı yöntemler vardır. Bunlar sıvı faz pullandırma, mekanik pullandırma, SiC bozdurma, kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve grafen oksidin indirgenmesi gibi yöntemlerdir. Dünyada genel olarak kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Bu yöntemde metan gazı ile 1000 ⁰C’ye kadar ısıtılan bakır elementi reaksiyona girer. Metan gazında bulunan karbon atomları sayesinde bakır yüzeyinde grafen oluşumu gerçekleşir.
Yüksek kalitede ve büyük miktarda grafen 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 batarya kullanım süresinin az olması öyle değil mi? Akıllı telefonların her gün defalarca şarj edilme isteği.. Çok hızlı akan gündelik hayatta şarj edilme süresinin çok uzun olması.. Ve belli bir şarj edilme döngüsünden sonra bataryanın ömrünün tükenmesi.. Bunların 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. Grafen bazlı piller, lityum iyon pillere göre 5 kat daha hızlı şarj olma, 3 kat daha uzun pil ömrü ve 5 kat daha fazla döngü vaat etmektedir [3].
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 hayal edin. Veya yaklaşmakta olan bir epileptik nöbeti tespit etmek ve hatta önlemek için beyne ileri geri sinyaller gönderen bir grafen arabirimi..
Grafenin kızılötesi, ultraviyole ve görünür ışıklara duyarlılığı sayesinde fotoğrafçılıkta kullanılması 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.
Grafenin Çok Çeşitli Alanlarda Kullanımı Mümkün
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 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.
Tavsiye İçerik : ‘LED ve OLED Tv Nedir? Arasındaki Farklar Nelerdir?’
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. Ayrıca 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.
Tavsiye İçerik : ‘Güneş Panelleri Nasıl Çalışır?’
Süperiletkenlik gösteren çoğu malzeme, bunu yalnızca mutlak sıfır sıcaklığına yakın bir noktada yapar. Grafen, çok daha yüksek sıcaklıklarda süperiletkenlik gösterir.
Massachusetts Institute of Technology’de çalışmalar gerçekleştiren bir ekip bu süper malzemeye ait önemli bir özelliğe daha rastlamıştır. Çift katmanlı grafen kullanılan 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 grafen ile 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 grafen katkılı 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 bir miktar grafit ve biraz da bant kullanılarak elde edilen bu süper malzeme, birçok teknolojinin sınırlarını zorlamaktadır. Grafenin keşfi sonrasında Toshiba, Samsung, Sony 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 : ‘6. Nesil Savaş Uçakları ve En Önemli Özellikleri’