Grafen nedir sorusunun cevabını merak etmemek elde değil. Konuyla özel olarak ilgilenenlerin dışında kalan insanların zihninde bir cevap canlandırmayan grafen nedir sorusunu cevaplamak için de oldukça araştırma yapmak gerekiyor.
Sosyal içerik platformu Emoji ailesi olarak, bu bilgilendirici yazımızda grafen nedir, ne işe yarar ve neden önemlidir gibi kritik konuları titizlikle araştırdık.
Grafen teknolojisi küresel anlamda devrim yaratan bir madde olarak adlandırılabilir. Öyle ki bu yapının kaşifleri olan Rus bilim insanları Andre Geim ve Konstantin Novoselov, 2010 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü kazanmıştır.
Grafen Nedir?
Grafen nedir sorusuna verilebilecek en basit cevap, grafenin altıgen bal peteği şeklinde bağlanmış, iki boyutlu ve sadece bir atom kalınlığındaki karbon atomlarının oluşturduğu bir yapı olduğudur. Kurşun kalemlerin uçlarında kullanılan grafitin de yapı taşı olan grafen çok sayıda şaşırtıcı özelliğe sahiptir.
Bu nedenle kendi başına bile önemli bir yapı olan grafen “mucize materyal” olarak da adlandırılır.
Bir grafen tabakasındaki her atom, en yakın üç komşusuna bir bağla bağlanır. Böylelikle tüm tabaka boyunca uzanan iletkenlik bandına bir elektron katkıda bulunur. Bu iletim bantları grafeni, tanımı en iyi şekilde kütlesiz göreli parçacık teorileri tarafından yapılabilen, alışılmadık elektronik özelliklere sahip bir yarı metal yapar.
Grafen birimleri nanografen olarak bilinir; bunlar belirli işlevlere göre uyarlanmıştır. Bu nedenle üretim süreçleri jenerik grafenden daha karmaşıktır. Nanografen, hidrojen atomlarını organik karbon ve hidrojen moleküllerinden seçici olarak uzaklaştırarak yapılır. Bu işlem dehidrojenasyon olarak adlandırılır.
Elmastan daha sert, ancak kauçuktan daha esnek; çelikten daha sert ancak alüminyumdan daha hafif olan grafen, bilinen en güçlü malzemedir. Grafen aynı kalınlıktaki en güçlü çelikten yaklaşık 100 kat daha güçlüdür.
Bu gücü zihninizde şöyle canlandırabilirsiniz: Eğer mutfaklarda ambalaj için kullandığımız bir streç film tabakası, saf, tek bir grafen tabakası ile aynı güçte olsaydı, onu delmek için 2000 kg’lık bir kütlenin yani büyük bir arabanın uyguladığı kuvveti bir kalemle uygulamanız gerekirdi.
Grafenin Keşfi
Grafen nedir sorusunu biraz aydınlattıktan sonra keşif sürecine de bakmakta fayda var. Grafenin yapı taşı olan karbon elementi, kurşun kalemlerde kullanılan grafitten, dünyanın en pahalı elmaslarına kadar birçok farklı biçimde bulunabilir.
1980’lerde elmas, grafit ve amorf karbon olmak üzere yalnızca üç temel karbon formu biliniyordu. Daha sonra karbonun grafit ve elmas haricindeki allotropları ve karbon nanotüpler keşfedildi. 2004’te de aralarına grafen katıldı.
Grafen, Manchester Üniversitesi’nde iki fizikçi olan Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında dünyaya ilk kez duyurulmadan önce bilim adamları, 2 boyutlu kristal malzemelerin termodinamik olarak kararsız olduğunu ve var olamayacağını savunuyordu.
Grafen, 1947 yılında, katı hal fiziğinde hesaplamalara yönelik bir ders kitabında örnek olarak PR Wallace tarafından teorik olarak zaten çalışılmıştı. Wallace, elektronik yapıyı tahmin etmiş ve doğrusal dağılım ilişkisini de not etmişti.
İlk deneylerinde Geim ve Novoselov, bir grafit parçasından grafen yapısı çıkardı. Normal bir yapışkan bant kullanarak, yalnızca bir atom kalınlığında bir karbon tabakası soymayı başardılar. Bu mekanik soyma, örnek hazırlama yöntemlerinin en basitidir ve şaşırtıcı bir şekilde, grafeni gerçek bir maddeye dönüştüren yöntem olmuştur.
Grafen Ne İşe Yarar?
Enerji Depolama ve Güneş Pilleri
Grafen bazlı nanomalzemeler, enerji ile ilgili alanlarda birçok umut verici kullanımlara sahiptir.
● Grafen, şarj edilebilir pillerde hem enerji kapasitesini hem de şarj oranını iyileştirir.
● Aktive edilmiş grafen, enerji depolaması için üstün süper kapasitörler oluşturur.
● Grafen elektrotları, ucuz, hafif ve esnek güneş panelleri yapmak için umut verici üretim yaklaşımları yaratabilir.
● Çok işlevli grafen katmanları, katalitik sistemler için yenilikçi altyapılar oluştururlar.
Bu örnekler, grafenin etkisinin olacağı enerji ile ilgili dört ana alanı vurguluyor: güneş pilleri, süper kapasitörler, grafen piller ve yakıt pilleri için katalizler.
Sensörler
İşlevselleştirilmiş grafen, biyosensörler ve kimyasal sensörler için olağanüstü bir umut vaat ediyor.
● Araştırmacılar, grafen oksidin ayırt edici 2 boyutlu yapısının, su moleküllerinin süper geçirgenliği ile birleştiğinde, benzeri görülmemiş hızlılıklarda algılama sensörleri oluşturduğu gösterdiler.
Örneğin, ultra hızlı grafen sensörleri, siz konuşurken kelimeleri yazıya dökmek için nefesinizi izler.
● Bilim adamları, kimyasal buharların, grafen transistörlerin kuvvet spektrumlarını değiştirdiğini ve bu sayede, saf grafenden yapılmış tek bir cihazla, kimyasal buharlardaki gazları tek tek tespit edebileceklerini keşfettiler.
● Dişlere takılacak nano ölçekli grafen biyosensörler, biyo-emilim yoluyla biyomateryaller üzerine arabirim oluşturabilir ve böylece diş hastalıklarının erkenden tespit edilmesini sağlayabilir.
Araştırmacılar ayrıca, son derece yüksek iletkenliğe sahip birbirine bağlı grafen levhaların üç boyutlu yapıları olan grafen köpüklerle çalışmaya başladılar. Bu yapılar, gaz ve biyosensör olarak kullanılabilir.
● Grafen köpük, gaz emisyonları ve patlamaları, günümüzün gaz sensörlerinden daha iyi tespit ediyor.
● Hastalıkları tespit etmek grafen köpüğünden üretilen biyosensörler oldukça ümit vericidir. Örneğin, Parkinson hastalığı için biyobelirteçleri tespit etmek için nanoteknoloji biyosensörü adlı bir çalışma bulunmaktadır.
Grafen Mürekkebi
Grafen, mekanik esneklik, yüksek elektriksel iletkenlik ve kimyasal stabilite dahil olmak üzere, yeni nesil elektronikler için ideal olan benzersiz özellik kombinasyonlarına sahiptir.
Çok sayıda araştırma, yüksek verimli mürekkep baskı yöntemleri aracılığıyla grafen bazlı elektroniklerin üretilebileceğini gösteriyor.
Yazdırılabilir grafen için formüle edilecek bir grafen mürekkebi, grafenin özelliklerini gerçek dünya teknolojilerinde kullanmak için ucuz ve kapsamlı bir yol yaratıyor.
Transistör ve Bellek
Grafenin en umut verici uygulamalarından bazıları transistörler ve ara bağlantılar olarak elektronik, sensörler olarak dedektörler ve ısı dağıtıcıları olarak termal yönetimdir. Hem alt hem de üst girişleri grafen olan ilk grafen alan etkili transistörler halihazırda prototip olarak geliştirildi.
Bunlara ek olarak, herhangi bir transistörün iletişim veya dijital uygulamalar için kullanılabilir olması için, yarattığı gürültünün kabul edilebilir bir seviyede olması gerekir. Ve grafen transistörler daha az gürültü oluşturmaktadır.
Grafen bazlı transistörler, şu anda kullanımda olan bazı silikon bileşenler için potansiyel rakipler olarak kabul ediliyor. Bir elektronun grafen içinde silikondan daha hızlı hareket edebilmesi nedeniyle bellekler, terahertz hızında işlem yapma potansiyeli göstermektedir.
Esnek, Gerilebilir ve Katlanabilir Elektronik
Esnek elektronikler bükülebilir malzemelerle yapılır. Gerçekten katlanabilir elektronikler ise, katlanmaya dayanabilen üst düzey bir iletkene sahip katlanabilir bir altyapı malzemesi gerektirir.
Bu, kağıt gibi katlanabilir bir alt tabakaya ek olarak, bu alt tabaka üzerine yerleştirilen iletkenin de katlanabilir olması gerektiği anlamına gelir.
Grafenin olağanüstü iletkenliği, gücü ve esnekliği, bükülebilir güneş pilleri veya robotik benzeri yapay deri gibi uygulamalar için umut verici bir malzeme olmasını sağlar. Grafen, esnek plastik alt tabakalar üzerinde devreler üretmeyi amaçlayan bir teknoloji olan gerilebilir elektronikler için de benzersiz bir seçimdir.
Bilim adamları, grafen tabakalarını son derece yüksek iletkenliğe sahip, gözenekli ve üç boyutlu köpüklere dönüştürmek için bir kimyasal buhar biriktirme yöntemi geliştirdiler. Araştırmacılar, bu köpüğü siloksan bazlı bir polimer ile kaplayarak, elektriksel veya mekanik özelliklerine zarar vermeden bükülebilen, gerilebilen ve bükülebilen bir kompozit ürettiler.
Kaplamalar
Nesneleri grafenle kaplamak farklı alanlarda fayda sağlayabilir. Örneğin araştırmacılar, grafen katmanlarının, hem statik hem de dinamik koşullar altında, sabit bir su iticilik gösterdiğini kanıtladı. Böylece etkili bir süperhidrofobik kaplama malzemesi oluşturmak için grafenin kullanılmasının mümkün olduğunu ispatladılar.
Böyle bir kaplama giyilebilir teknolojide, askeri ve savunma sanayisinde; araba veya uçak gibi ulaşım araçlarını daha güvenli ve fonksiyonel getirmede devrim yaratabilir.
Grafen ayrıca metalleri korozyona karşı korumak için kullanılabilen dünyanın en ince kaplamasıdır. Doğrudan bakır veya nikel üzerine yapılmış veya başka bir metale aktarılmış grafenin, korozyona karşı koruma sağladığı gözlemlenmiştir.
Radyasyon Koruması
Günümüzde grafenin, elektromanyetik girişim (EMI) koruması için en etkili malzeme olduğu düşünülmektedir. Dünya çapında yapılan deneyler, tek veya birkaç atomik grafen katmanıyla ultra ince, şeffaf, ağırlıksız ve esnek bir EMI kalkanı üretmenin, radyasyon koruması açısından oldukça işlevsel olduğunu göstermiştir.
Grafen Neden Önemlidir?
Düzlemi boyunca grafen, ısı ve elektriği çok verimli bir şekilde iletir. Grafitin siyah rengini açıklar bir şekilde tüm görünür dalga boylarının ışığını da güçlü bir şekilde emer. Bu kuvvetli özelliklerine rağmen, tek bir grafen tabakası aşırı inceliği nedeniyle neredeyse şeffaftır.
Ancak, birçok alanda kullanılabilecek kalitede ve miktarda grafen üretmek oldukça zordur. Grafen tabakalarındaki kusurların, safsızlıkların, tane sınırlarının, çoklu alanların, yapısal bozuklukların ve kırışıklıkların varlığı, grafenin elektronik ve optik özellikleri üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olabileceğinden, endüstrilerde üretimlere dahil edilebilecek nitelikte katmanların kalitesi çok sayıda değişkene bağlıdır.
Grafenin bu özellikleri ve teknolojideki geniş ve devrimsel kullanım olanakları onu gerçekten bir “mucize materyal” yapıyor.
Teknoloji alanındaki tüm yeniliklerden haberdar olmak ve ilginç konular hakkında bilgi sahip olmak için sitemizi takip etmeyi unutmayın.
