Grafen, karbondan yapılmış, iki boyutlu bir malzemedir. Katmanlar halinde istiflendiğinde grafit olarak bilinir, çoğu insanın kurşun kalemlerde kil ile karıştırılmış olarak karşılaştığı koyu renkli bir maddedir. Grafen, benzersiz yapısal, termal ve elektromanyetik özelliklerin karışımı sayesinde, çok çeşitli gelecekteki teknolojilerdeki potansiyel rolü nedeniyle büyük ilgi gördü.

Grafenin üstün özelliklerine bakıldığında onu her yerde görmeyi bekleyebiliriz. Ancak bu maddenin yaygın olarak kullanılmamasının sebebi, son derece pahalı olmasıdır. Bu da seri üretim gerektiren ürünlerde kullanımı sınırlar. Ayrıca, büyük grafen tabakalarının üretilmesi durumunda, malzemede küçük çatlakların ve diğer kusurların ortaya çıkma riski artar. Bilimsel bir keşif ne kadar inanılmaz olursa olsun, başarıyı her zaman ekonomi belirleyecektir. Üretim sorunları bir yana, grafen üzerindeki araştırmalar hız kesmiyor. Grafenin keşfinde bu yana, kat edilen yolu göz önüne aldığımızda, ileride grafenin maliyetinin düşürülebilmesi, onu, insanlık tarihinin bir sonraki çağını yönlendiren bir kaynak haline getirebilir.

Grafen tabakasında yer alan her bir karbon atomu, aynı açılarda yer alan diğer üç atoma sıkıca bağlanır. Düz, bal peteği benzeri bir yapı oluşturur. Her atomun dört komşuya bağlı olduğu üç boyutlu bir karbon kristali olan ve elmasa benzeyen bu güçlü bağlar yapıya önemli bir sağlamlık kazandırır.

Spesifik olarak, grafen, özellikle küçük ölçekte inanılmaz bir gerilme mukavemetine sahiptir. Bu durum, sadece birkaç mikrometre genişliğe sahip, ince bir kristalize çelik dizisiyle karşılaştırıldığında, grafenin parçalanmasının altı kattan daha zor olduğunun gösterir. Diğer, daha az ideal çelik formlarıyla yapılan testler, daha önce yüzlerce kat daha güçlü olabileceğini öne sürmüştü.

Grafenin temel altıgen şekli, “buckyball” adı verilen güzel karbon küreleri gibi 60 veya daha fazla karbon molekülünden oluşan içi boş bir moleküler yapı olan fullerenlerin temelini oluşturur. Bu yapılar üzerindeki nano ölçekli ağ o kadar esnektir ki, içi boş silindirlere yuvarlanabilir ve bu da onları moleküler ölçekte potansiyel olarak yararlı kaplar haline getirir.

Grafen katmanları, bir buckyball ve bir nanotüp

Grafen katmanları, bir buckyball ve bir nanotüp

Karbon elementinin bağlanma için uygun dört elektronu olduğundan, bir grafen tabakasındaki her bir atom, moleküle en az bir bağlanmamış elektron katkıda bulunur. Bu boşta kalan negatif yük, malzemeye  süper iletken özellikler kazandırmaya yardımcı olur ve bu da onu gelişmiş elektronikler için uygun hale getirir.

Bu yeteneklere, birçok sıvı ve gaza karşı geçirimsizliğini, suyu itme kabiliyetini ve ayrıca inanılmaz şeffaflığını ekleyince, grafenin neden dikkat edilmesi gereken bir harika malzeme olarak tanımlandığını görmek kolaydır.

Grafen Nasıl Keşfedildi? Grafenin Tarihi

Grafenin benzersiz kimyası üzerine ilk gerçek teori, Kanadalı teorik fizikçi Philip Russell Wallace’ın grafitin elektriksel özelliklerini açıklamanın yollarını bulmaya çalıştığı 1947 yılına dayanmaktadır. Grafitin temel yapısal özellikleri 20. yüzyılın başlarında deneysel olarak belirlendi.  Malzeme ne kadar ilginç görünse de, grafiti bir seferde birkaç yapraktan fazlasını dökmeye zorlamak zordu.  2004 yılında, Manchester Üniversitesi araştırmacıları Andre Geim ve Kostya Novoselov, yapışkan bant filmlerinden biraz daha fazlasını kullanarak grafeni grafitten soyarak, çalışmak için yeterli miktarda üretmenin bir yolunu tasarladılar. O zamandan beri bu malzeme üzerinde çığır açan çalışmaları için Nobel Ödülü kazandılar.

Grafenin gelecekteki kullanımı, çok daha verimli üretim yöntemlerine dayanacak ve araştırmacalara geniş düz, 2D karbon ağ tabakaları yapmak için yenilikçi yeni yollar arama konusunda ilham verecek.

Grafenin Özellikleri

Grafen çok ilginç özelliklere sahip bir maddedir. Bu özellikler, doğadaki karbon bolluğu ile birlikte, grafeni büyük olanaklara sahip çok çalışılmış bir malzeme haline getirdi. Grafenin özellikleri şunlardır:

  • Yüksek ısı iletkenliği ve yüksek elektrik iletkenliğine sahiptir.
  • Yüksek elastikiyet ve esnekliğe sahiptir.
  • Yüksek sertliğe sahiptir.
  • Yüksek dirence sahip olan Grafen, elmas direncine benzer şekilde çelikten yaklaşık 200 kat daha güçlüdür, ancak çok daha hafiftir.
  • İyonlaştırıcı radyasyondan etkilenmez.
  • Güneş ışığına maruz kalarak elektrik üretebilir.
  • Şeffaf bir malzemedir.
  • Helyum atomlarının geçmesine izin vermeyen, ancak açık bir kaptaymış gibi aynı hızda buharlaşan suyun geçişine izin veren yüksek yoğunluğa sahiptir.
  • Antibakteriyel etkiye sahiptir. Bakteriler içinde büyüyemezler.
  • Diğer bileşiklere kıyasla düşük elektrik tüketimine sahiptir.

Grafenin Kullanım Alanları

Grafen, birçok üstün özelliğinden yalnızca birine sahip olsaydı, kısıtlı kullanım alanlarına sahip, araştırmaların konusu olurdu. Fakat grafenin dikkat çeken birçok üstün özelliği, tüketici teknolojisi ve çevre bilimi başta olmak üzere birçok farklı alanda geniş bir kullanım yelpazesinin oluşmasını sağladı.

Grafenin kullanım alanlarından kısaca bahsedelim.

  1. Esnek Elektronik

Güçlü elektriksel özelliklerine ek olarak, grafen aynı zamanda oldukça esnek ve şeffaftır. Bu, onu, taşınabilir elektroniklerde kullanım için çekici hale getirir. Akıllı telefonlar, tabletler vb. birçok elektronik üründe grafen kullanılarak çok daha dayanıklı hale getirilebilir, hatta ürünün yapısına bağlı olarak kâğıt gibi katlanabilir bir hâl bile alabilir. Giyilebilir elektronik cihazlar son zamanlarda popülaritesini artırıyor. Grafen ile bu cihazlar daha da kullanışlı hale getirilebilir, çeşitli egzersiz biçimlerine uyum sağlamak için uzuvların etrafına sıkıca oturacak ve bükülecek şekilde tasarlanabilir.

  1. Güneş Pilleri/Fotovoltaikler

Grafen, hem son derece iletken hem de şeffaftır. Bu nedenle güneş pillerinde malzeme olarak büyük potansiyele sahiptir. Güneş pillerinde, kendisine çarpan foton başına yalnızca bir elektronu serbest bırakan silikon kullanılır. Araştırmalar, grafenin kendisine çarpan her foton için birden fazla elektron salabileceğini ortaya koymuştur. Bu nedenle, güneş enerjisinin dönüştürülmesinde, grafen çok daha etkili olabilir.

  1. Yarı İletkenler

Yüksek iletkenliğe sahip grafen, yarı iletkenlerde bilginin hareket etme hızını büyük ölçüde artırmak için kullanılır. Son zamanlarda, yarı iletken polimerlerin bir grafen tabakasının üzerine yerleştirildiğinde elektriği bir silikon tabakasından çok daha hızlı ilettiğini gösteren testler yapıldı. Bu, polimer daha kalın olsa bile geçerlidir. 50 nanometre kalınlığındaki bir polimer, bir grafen tabakasının üzerine yerleştirildiğinde, 10 nanometrelik bir polimer tabakasından daha iyi bir yük iletti.

  1. Süperiletkenlik

Cambridge’deki bilim adamlarının, praseodimyum seryum bakır oksit ile eşleştirildiğinde grafenin süper iletken (elektrik direnci olmayan bir malzeme) gibi davranabileceğini gösterdiler.

Grafen, çok daha yüksek sıcaklıklarda süper iletkenlik gösterir. Süperiletkenlik gösteren çoğu malzeme, bunu yalnızca mutlak sıfır sıcaklığına yakın bir noktada yapar. Bazı sözde “yüksek sıcaklık süper iletkenleri”, nispeten yüksek olan 133 Kelvin (-140 Santigrat) civarındaki sıcaklıklarda süper iletkenlik gösterebilir.

Grafen düzenlemesinin mutlak sıfırın 1,7 derece üzerine soğutulması gerekiyordu, ancak araştırmacılar onun davranışını kupratlarınkine benzer buluyorlar ve geleneksel olmayan süper iletkenliği incelemek için çok daha kolay bir malzeme olacağını umuyorlar. Süper iletkenlik tipik olarak yalnızca bu kadar düşük sıcaklıklarda gerçekleştiğinden, süper iletkenler manyetik rezonans görüntüleme cihazı (MR) gibi maliyetli makinelerde kullanılır. Ancak bilim adamları, oda sıcaklığında çalışan ve soğutma ünitelerine ihtiyaç duymadan maliyetleri düşürecek bir süper iletken bulmayı umut ediyorlar.

BİR CEVAP BIRAK

Please enter your comment!
Please enter your name here