Geleceğin Malzemesi: Grafen

Geleceğin Malzemesi: Grafen

Hepinize merhaba sevgili dostlar. Teknoloji durmak bilmeden ilerliyor. Bu ilerleme sayesinde, birçok yeni malzeme üretiliyor. Bu malzemelerden kimi sadece sanayide kullanılabilirken kimisi ise günlük yaşamda da kullanılmaktadır. Son zamanlarda, “süper malzemeler” diye bir kavram mühendisliğin merkezinde olmaya başladı. Bu süper malzemelerden biri grafendir. Bu yazıda, sizleri geleceğin malzemesi grafen hakkında bilgilendireceğim.

 

Grafenin Yapısı ve Özellikleri Nelerdir.?

Grafen, tek atom inceliğinde olduğundan dolayı iki boyutlu kabul edilen, kovalent bağ ile bağlı karbon atomlarının altılı bal peteği örgüsünde kusursuzca dizilmesiyle oluşturduğu üstün özelliklere sahip bir nanomateryal olarak tanınmaktadır. Karbonun, grafit (kurşun kalem, katı yağlayıcılar vb.) ve elmas gibi gündelik hayattan çok iyi bilinen allotroplarının (allotrop: Bir elementin atomlarının uzayda farklı farklı şekillerde dizilmesiyle oluşan yapıya allotropi denir. Allotropide, kimyasal özellikler aynıyken fiziksel özellikleri farklıdır.) yanında nanotüp ve fulleren gibi yeni sentezlenen formları da mevcuttur. Grafen dünyası tek-katman, altıgen düzende karbon atomları anlamına gelmektedir. Eğer grafen başka bir düzende ise, bu özellikle belirtilmiştir. Örneğin çift katmanlı grafen ya da çok katmanlı grafen, bu malzemenin diğer formlarıdır. Daha da detaylandıracak olursak, grafen sp2 bağlı karbon atomlarından oluşmuştur ve atomları arasında 0.142 nm (nanometre) molekül bağ uzaklığı vardır. Grafenin en önemli üç özelliği çelikten 100 ile 300 kat arası daha sağlam olması, şu ana kadarki bilinen oda sıcaklığında en iyi iletken olması ve esnek olmasıdır. Bununla birlikte, bilinen en ince ve en hafif malzemedir. Aynı zamanda saydam bir malzemedir.

 

Grafen İlk Ne zaman ve Nasıl Elde Edildi?

Grafenin keşfi 2000’li yılların başına dayanıyor. 2004 yılında, Manchester Üniversitesi’nde görevli bilim insanlarından Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından “şans eseri” keşfedildi. Kurşun kalemin, kağıtta bıraktığı grafit kalıntıların (karalamanın) seloteyple (yapışkan bantla) tek bir tabakayı çekip alarak grafen elde edildi. Bu iki bilim insanı, grafeni izole etmekle kalmayıp, aynı zamanda bütün karakteristik özelliklerini tanımlamayı başardı. Konstantin Novoselov, bu durumu şu şekilde açıklıyor:

“Dünyamız, bir avuç malzeme tarafından şekillendirilmektedir. Binalarımız, çeliğin gücü tarafından belirlenmektedir. Silikon, bilgisayarlarımızın çalışma prensiplerini dikte etmektedir. Alüminyum, uçaklarımızın neye benzeyeceğini belirlemektedir. Şimdiyse kompozit malzemeler hayatlarımızı iyileştirmeye başladı. Örneğin karbon fiber dayanıklılığında ama plastiklerin esnekliğinde malzemeler üretebiliyoruz. Grafen durumunda ise söz ettiğimiz şu: Kompozit malzemelerin en üst düzey reenkarnasyonu olan, iki boyutlu bir malzeme düşünün. Bunu, doğada bulunmayan üç boyutlu malzemelere dönüştürebiliyoruz ve bu malzemelerin özelliklerini atomik boyutta bile kontrol edebiliyoruz.”

 

Grafenin Kullanım Alanları Nelerdir?

Bilim insanları, grafen ile ilgili araştırmalarda daha yolun başında olsalar da geliştirilmekte olan bazı teknolojilerden bazıları şunlardır:

• Bataryaların ultra hızlı şarj edilmesi
• Radyoaktif atıkların daha kolay temizlenebilmesi
• Hızlı taşınabilir bellekler
• Güçlü ve daha dengeli aletler ve spor ekipmanları üretilmesi (tenis raketi gibi)
• Grafen temelli güncellenebilen elektronik kağıtlar
• Küçük ve verimli biyosensör tabanlı cihazlar
• Bataryaların yerini alabilecek süperkapasitörler
• Su geçirmeyen kıyafetler
• Daha sağlam ve hafif uçaklar ve koruma ekipmanları
• Doku yenilenmesinde yardımcı malzeme olarak kullanmak
• Tuzlu suyu, içilebilir suya dönüştürmek
• Doğrudan vücuttaki nöronlara bağlanabilen biyonik cihazlar

 

Peki Grafeni Nasıl Elde Edebilirz?

Grafen çok heyecan verici bir malzeme olmasına rağmen, bundan yüksek kalitede ürün ortaya koymak hala zor bir iştir. Dünyadaki birçok şirket, CVD tabanlı bir işlem kullanarak sentezlenen yüksek kaliteli tek katmanlı grafenden, daha büyük miktarlarda grafitten üretilen grafen pullarına kadar farklı tiplerde grafen malzeme türleri üretiyor. Yüksek kaliteli grafen levhalar çoğunlukla Ar-Ge faaliyetlerinde veya sensörler gibi aşırı hassas uygulamalarda kullanılır, ancak büyük hacimlerde ve daha düşük fiyatlarla üretilen grafen pulları, spor malzemeleri, tüketici elektroniği, otomotiv ve daha pek çok uygulamada da kullanılmaktadır.