Grafen

Malzeme biliminin benzersiz özelliklerine ve kullanım alanlarına sahip malzemesi grafen, ilgi çeken mekanik, elektrik ve termal özellikleri ile birçok araştırmaya konu olmaktadır.

Grafen, grafite benzer şekilde saf karbondan oluşan, ancak onu olağanüstü hafif ve güçlü kılan özelliklere sahip bir malzemedir. Bir metrekarelik bir grafen tabakası 0,77 miligram ağırlığındadır. Mukavemeti çeliğe göre 200 kat daha fazladır ve yoğunluğu karbon fiberinkine benzer. Tüm bunlar, kırılmadan yüksek bükülme kuvvetlerine dayanmasını sağlar. Elektrik ve ısı için en iletken malzemelerden biridir, bu da onu elektronik ve diğer birçok endüstri için mükemmel bir malzeme yapar.

2010 yılı Nobel Fizik ödülünün grafen hakkındaki ‘’Çığır açan deneyleri’’ dolayısıyla; Hollandalı Andre Geim ve Rus kökenli İngiliz vatandaşı Konstantin Novoselov’a verilmesi dikkatleri ‘’mucize materyal’’ olarak da bilinen bu malzeme üzerine çekmiştir.

Grafen tek atom inceliğinde olduğundan dolayı iki boyutlu kabul edilen, kovalent bağ ile bağlı karbon atomlarının altılı balpeteği örgüsünde kusursuzca dizilmesiyle oluşturduğu üstün özelliklere sahip bir nanomateryal olarak tanınmaktadır.

Grafen yapısında karbon-karbon arası bağ uzunluğu 0,142 nm’dir. Grafen içindeki elektronlar oda sıcaklığında kütlesiz rölativistik parçaçıklar gibi davranır, bu sayede grafen kuantum boşluğu etkisi gibi kendine has özellikler sergiler.

Grafenin temel üstün özellikleri geniş yüzey alanı (2630 m² g ^{– 1}) yüksek elektron mobilitesi (200000 cm²/(V s) yüksek ısıl iletkenliği (5000 Wm^-1K^-1) ve yüksek young modülü (~1100 Gpa) olarak sıralanabilir. Bu malzeme sahip olduğu üstün özellikler nedeniyle birçok uygulama alanı bulmaktadır bunların başlıcaları; transparan elektrotlar, alan etkili transistörler, sensörler, temiz enerji cihazları, nanokompozitler ve organik fotovoltaik cihazlar olarak sayılabilir.

 

Grafenin Kısa Tarihçesi: Grafit çok uzun süredir bilinen bir malzeme olagelmiştir (Neolitik dönemden beri kullanılmaktadır). Atom yapısı iyi bir şekilde belgelenmiş olan grafitin, tek bir katmanının izole edilip edilemeyeceğine bilim insanları kafa yormuş, ancak yakın zamana kadar, bu düşünce hayata geçirilememiştir.

Bilim insanları, grafitin tek bir atom inceliğe kadar tek bir tabaka halinde kesilmesinin mümkün olup olmadığından emin değildiler. Ancak 2004 yılında Manchester Üniversitesi’nden Andre Geim ve Konstantin Novoselov ilk izole edilmiş grafen örneği elde etmeyi başardı. İşin ilginç tarafı, bunu başarabilmek için kullandıkları alet gerçekten çok basitti, bu alet sadece bir rulo banttı.

Büyük bir grafit bloğunu parlatmak için bant kullanıldığında, bu araştırmacılar bant üzerinde olağanüstü ince pullar görmüşlerdi. Katman katman grafit pullarını soymaya devam ederek, olabildiğince ince bir numune ürettiler. Sonunda ‘Grafen’i bulmuşlardı. Keşif çok tuhaftı, ilk başta bilim dünyası şüpheliydi. Saygın bir popüler doğa dergisi, bilim adamlarının bu konudaki makalelerini yayımlamayı iki kez reddetti. Ancak sonunda araştırma yayımlandı ve 2010 yılında Geim ve Novoselov keşiflerinden dolayı Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü.

Grafen yaygın olarak şu yöntemler ile elde edilmekte;

• Katman Ayırma Yöntemi (Eksfoliasyon Yöntemi)
• Epitaksiyel Büyütme
• Silisyum-Karbon Yöntemi
• Kimyasal Ayrıştırma Yöntemi

 

Grafen Nedir?

Grafen en basit anlatımla, süper ince bir grafit tabakasıdır. Grafit aslında yabancı olduğumuz bir malzeme değil, kurşun kalem olarak bildiğimiz bu materyali çocukluğumuzdan itibaren kullanıyoruz. Grafit, karbon elementinin bir allotropudur, yani aynı atomlara sahiptir, ancak bunlar farklı şekilde dizilmiştir. Bu dizilim farkları malzemeye çok farklı özellikler kazandırmaktadır. Örneğin, hem elmas hem de grafit karbon biçimleridir, ancak son derece farklı doğaları vardır. Elmaslar inanılmaz derecede güçlü iken, grafit son derece kırılgandır.

Grafen ilk kez 2004 yılında, grafitin basit mekanik dökülmesi yoluyla izole edilmiş, olağanüstü elektronik, optik ve mekanik özelliklerinin benzersiz birleşimi nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Grafen levhalar, altıgen, bal-peteği benzeri bir düzende bağlanmış, iki boyutlu, bir atom kalınlığında sp²-bağlı karbon atomu katmanlarıdır.

İlginçtir ki, grafen grafitten izole edildiğinde bazı mucizevi özellikler alır. Sadece bir atom kalınlığında, keşfedilen ilk iki boyutlu malzeme olma özelliğine sahiptir. Buna rağmen, grafen aynı zamanda evrende bilinen en güçlü malzemelerden biridir. 130 GPa’lık (gigapaskal) gerilme mukavemeti ile çelikten 100 kat daha güçlüdür.

Grafenin bu kadar ince olmasına rağmen inanılmaz gücü, onu şaşırtıcı kılmak için zaten yeterli, ancak benzersiz özellikleri burada bitmiyor. Grafen aynı zamanda esnek, şeffaf, yüksek iletkendir, çoğu gaz ve sıvıya karşı geçirimsiz olma özelliğine sahiptir. Kısacası, grafenin mükemmel olmadığı bir alan yokmuş gibi görünüyor

Grafite doğada rastlamamıza rağmen, grafene kolay kolay rastlamak pek kolay değildi. Aslında tek katmanlı bir altıgen dizilimde karbon dizisini bilim insanları uzun süredir “hayal ediyorlardı”. Öyle ki, kimi zaman kurşun kalem üretimi sırasında yanlışlıkla grafen de üretiliyordu. 1962 yılında ilk defa elektron mikroskobu altında da incelendi; ancak o yıllarda grafeni izole edip kendi başına incelemek mümkün olmamıştı. Hep diğer metallerin bir parçası olarak gözlenebilmişti.

2004 yılında Manchester Üniversitesi’nden Andre Geim ve Konstantin Novoselov’un grafeni adeta “baştan keşfetmesi” ile değişti. İkili, grafeni sadece izole etmekle kalmadı, aynı zamanda bütün karakteristik özelliklerini tanımlamayı başardı.

Novososelov bunu şöyle anlatıyor: “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.”

Süper Özellikler

Grafen tek atom kalınlığında bir malzemedir. Örneğin aynı kalınlıktaki çelikten yaklaşık 200 kat daha güçlüdür bu özelliğiyle dünyanın en kuvvetli maddesidir.

• Elektriği bakırdan daha iyi iletir başka bir deyişle mükemmel bir iletkendir.
• Tüyden bile hafif bir malzemedir örneğin elmastan çok daha serttir.
• Saydam olmasının yanı sıra dünyada elde edilen en ince nesnedir.
• Bükülebilir bir maddedir.

Grafenin Kullanım Alanları Nelerdir?

• Bataryaların ultra hızlı şarj edilmesinde,
• Güçlü ve dengeli spor aletleri üretilmesinde (tenis raketi gibi ),
• En önemlisi radyoaktif atıkların daha kolay temizlenebilmesinde,
• Hızlı flash hafızalarda,
• Graphene temelli güncellenebilen elektronik kağıtlarda,
• Küçük ve verimli biyosensör cihazlarda,
• Su geçirmeyen kıyafetlerde,
• Daha sağlam ve hafif uçaklarda,
• Dokunmatik ekranlarda,
• Doku yenilenmesinde yardımcı malzemelerde,
• Doğrudan vücuttaki nöronlara bağlanabilen biyonik cihazlarda özetle sonuç olarak birçok kullanım alanı vardır.

Grafen Araştırmalarının Geleceği

Grafenin bu güçlü özellikleri göz önüne alındığında, her yerde onu görmeyi bekleriz. Öyleyse, neden, grafen yaygın olarak benimsenmedi? Her zaman olduğu gibi burada da maliyet faktörü belirleyici oluyor. Grafen, büyük miktarlarda üretmek için hala oldukça pahalı ve bu durum seri üretim gerektiren herhangi bir üründe kullanımını sınırlıyor. Ayrıca, büyük grafen tabakaları üretildiğinde, malzemede görünen küçük çatlaklar ve diğer kusurlar için artan bir risk vardır. Bilimsel bir keşif ne kadar inanılmaz olursa olsun, ekonomi her zaman başarıya karar verecektir.

Ancak tüm bu üretim sorunlarına rağmen grafen araştırma son hızda devam ediyor. Dünyanın dört bir yanındaki araştırma laboratuvarları, grafenin ilk keşfedildiği Manchester Üniversitesi de dahil olmak üzere, sürekli olarak grafen oluşturma ve kullanma yöntemleri için patent dosyalıyorlar. Avrupa Birliği, elektronikte kullanılmak üzere grafen araştırmalarını finanse edecek bir amiral gemisi programı için fonu 2013’te onaylanmıştı. Bu arada, Asya’daki büyük teknoloji şirketleri grafen teknolojileri üzerinde araştırma yapıyorlar.

Devrimler bir gecede olmaz, silisyum 19. yüzyılın ortalarında keşfedildi, ancak silisyum yarı iletkenlerinin bilgisayarların yükselişine yol açması neredeyse bir yüzyıl sürdü. Grafen, neredeyse efsanevi nitelikleriyle, insanlık tarihinin bir sonraki dönemini yönlendiren kaynak olabilir mi, bunu sadece zaman gösterecek.

Türkiye’deki Grafen Üretimi ve Araştırmaları

Türkiye’de grafen üzerimi ve uygulamaları üzerine yapılan çalışmalar TÜBİTAK’ın 2013 yılında proje çağrısına çıkması ile hız kazanmaya başlamıştır.

Yenilenebilir ve alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesinde grafenin rolü üzerine çalışmalar yapan Sabancı Üniversitesi, dünyanın en büyük araştırma projelerinden biri olan Grafen Project’in Türkiye yürütücüsü konumundadır.

Sabancı Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma ve Uygulama Merkezi araştırmacıları ve Inovent A.Ş ortaklığı ile 2013’te kurulan Nanografen firması ise kaliteli grafen üretimi ve üretilen grafenin savunma sanayii, havacılık ve enerji gibi alanlarda kullanılması üzerine çalışmalar yapan Nanografen ülkemizdeki grafen çalışmalarına büyük bir katkı sağlamaktadır.

Türkiye’de grafen üzerine çalışmalar yapan bir diğer şirket Grafen Kimya’dır. Ürettiği grafen bazlı boya ile oldukça dikkat çeken bu şirket, yabancı şirketlerden aldığı sermayelerle de çalışmalarına hız kazandırmıştır. Şirket, yüzeylerden sinyal giriş çıkışını engelleyen grafen bazlı boyalarının yanında, karbon nanotüp temelli fiber üretimi ve biyoplastik nanokompozit üretimi üzerine de çalışmalar yapmaktadır.

Sonuç

Grafen, malzeme biliminin en çok ilgisini çeken maddelerden biri olmayı başarmıştır. Günümüzün iki boyutlu en ince, en hafif ve en sağlam malzemesi olan grafen yüksek elektrik ve termal iletkenliği, optik şeffaflığı ve kimyasal özellikleri ile dikkat çekmektedir.

Hekzagonal karbon atomlarından oluşan saf grafenin yanı sıra grafen varyasyonları da bilim insanlarını ilgisini çekmekte ve grafen çalışmalarına konu olmaktadır. Bu grafen varyasyonları, grafen nanoplatelet, grafen plaka, grafen oksit ve indirgeniş grafen oksittir. Bu varyasyonlar, birden fazla grafen katmanından oluşabilir veya yapılarında oksitli bileşikler bulundurabilir. Bu nedenle, grafenden farklı özelliklere sahiptirler. Saf grafen üretme yolunda ortaya çıkmış olsa da grafen varyasyonları da bugün kendilerine malzeme biliminde önemli bir yer edinmiş ve farklı kullanım alanlarını beraberinde getirmişlerdir.

Grafen başlıca, enerji depolama sistemlerinde, transistörlerde, yüksek termal ve elektrik iletkenlik gösteren kaplamalarda, mukavemet artırma uygulamalarında, sensörlerde ve süperkapasitörlerde kullanılmaktadır. Grafenin yaygın olarak kullanılmasının önündeki en büyük engel uygun seri üretim yöntemlerinin geliştirilmesidir.

Başlıca grafen üretim yöntemleri top-down ve bottom-up yöntemleri olarak bilinmektedir. Bu yöntemler ve alt metotları birbirinden farklı avantaj ve dezavantajlar sahiptir ve değişik özelliklerde grafen üretimi sağlamaktadır. Fakat bu yöntemlerin düşük maliyetli seri üretime elverişli bir noktaya gelmesi için çalışmalar hala sürmektedir. Grafen araştırmalarında ve üretiminde başı çeken ülkeler, grafenin keşfine ev sahipliği yapan İngiltere, ABD, Kanada, Güney Kore, Çin ve bazı Avrupa ülkeleridir. Türkiye ise grafen sektörüne henüz yeni giriş yapmaktadır.

Kaynakça:

1- Grafen Nedir: Malzeme Biliminin Nobel Ödüllü Başarısı!

https://evrimagaci.org/grafen-nedir-malzeme-biliminin-nobel-odullu-basarisi-7568

2- Grafen için 60 farklı kullanım alanı

https://shop.nanografi.com.tr/blografi/grafen-icin-60-farkli-kullanim-alani/

3- Grafen ve Grafen Üretim Yöntemleri

https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/653515

4- Grafen; üretim, özellik ve kullanım alanları

https://shop.nanografi.com.tr/blografi/grafen-uretimi-ozellikleri-ve-kullanim-alanlari-/

5- Grafen nedir ve Geleceğimizi Değiştirebilecek mi?

http://www.nanoteslab.com/grafen-ve-gelecegimizdeki-yeri/

6- Grafen: Geleceğin Mucizevi Malzemesi

Grafen: Geleceğin Mucizevi Malzemesi