Teknolojik gelişmeler tarihin akışını yönlendirir. Grafen de bu gelişmelerin içinde yer alabilir. Bronz ve demir antik toplumların yayılması için öylesine önem arz ediyordu ki, bu madenlerin ardından çağlar isimlendirildi.
Amerikan çelik endüstrisinin yükleşiyle birlikte, demir yolu rayları Atlantik’ten Pasifiğe, bir ulusun kanını taşımış olan metal damarlara yayıldı. Silikon yarı iletkenler bilgisayarların büyümesini ve matbaadan sonra bilgi teknolojisindeki en büyük artışı sağladı. Bu materyaller toplumun gelişimini şekillendirdi ve hangi ülkelerin jeopolitiğe egemen olduğunu belirlemeye yardımcı oldu.
Grafen Nedir?
Bugünlerde, yeni bir maddenin geleceği değiştirme potansiyeli var.Süper madde olarak adlandırılmış olan grafeni daha iyi anlamak için çabalayan araştırmacılar mevcut. Grafenin mucizevi özelliklerini barındıran uzun liste onun neredeyse büyülü görülmesini sağlıyor, ancak fizik ve mühendisliğin
geleceği için çok gerçek ve sert etkileri olabilir.
Biraz daha açmak gerekirse Grafen;
Tanımlamanın en kolay yolu, tek ve ince bir grafit katmanı olmasıdır. Bu yumuşak ve lapa lapa olan madde kurşun kalemlerde kullanılır. Grafit, karbon elementinin bir allotropudur, yani aynı atomlara sahiptir, ancak bu atomlar farklı şekilde dizilerek maddeye farklı özellikler vermiştir.
Örneğin, hem elmas hem de grafit karbon formlarıdır, ancak çılgınca farklı doğalara sahiptirler.
Elmaslar inanılmaz güçlüyken, grafit kırılgandır. Grafenin atomları altıgen bir şekilde
düzenlenmişlerdir.
İlginç bir şekilde, grafen grafitten izole edildiğinde bazı mucizevi özellikler alır. Sadece bir atom
kalınlığında, şimdiye kadar keşfedilen ilk iki boyutlu malzemedir. Buna rağmen, grafen aynı zamanda bilinen evrendeki en güçlü malzemelerden biridir. 130 GPa (gigapaskal) gerilme mukavemeti ile
çelikten 100 kat daha güçlüdür.
Grafen’in bu kadar ince olmasına rağmen inanılmaz gücü onu inanılmaz kılmak için zaten yeterli, ancak benzersiz özellikleri burada bitmiyor. Grafen ayrıca esnek, şeffaf, yüksek iletkenliğe sahip ve görünüşe göre çoğu gaz ve sıvı için geçirimsizdir. Neredeyse grafenin mükemmel olmadığı bir alan yokmuş gibi görünüyor.
Grafenin tarihi: Bir rulo bant ve bir rüya
Grafit uzun zamandır bilinen bir nicelik olmuştur (insanlar Neolitik çağdan beri kullanıyor).Grafenin atomik yapısı tamamen kanıtlamıştır ve uzun bir süre, bilim adamları tekli grafit katmanlarının izole edilip edilemeyeceğini düşünmüştür. Ancak yakın zamana kadar, grafen sadece bir teoriydi, çünkü bilim adamları grafiti tek bir ince atom tabakaya dilimlemenin mümkün olup olmadığından emin değillerdi.
İlk izole grafen örneği 2004 yılında Manchester Üniversitesi’nden Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından keşfedildi.
Muazzam, pahalı bir makine parçası kullanarak efsanevi maddeyi izole etmeleri beklenebilir, ancak kullandıkları araç eğlenceli bir şekilde basitti:
Bir rulo bant. Büyük bir grafit bloğunu parlatmak için bant kullanırken, araştırmacılar bant üzerinde olağanüstü ince pullar fark ettiler. Tabakayı ve tabakadan grafit pullarını soymaya devam ederek, sonunda mümkün olduğunca ince bir numune ürettiler. Grafen bulmuşlardı.
Keşif çok tuhaftı, bilim dünyası ilk başta şüpheciydi. Popüler Nature dergisi bile, deney hakkındaki makalelerini iki kez reddetti. Sonunda, araştırmaları yayınlandı ve 2010 yılında Geim ve Novoselov’a keşiflerinden dolayı Nobel Fizik Ödülü verildi.
Potansiyel uygulamalar
Grafen çok sayıda üstün özelliğinden birine sahip olsaydı, potansiyel kullanımlar üzerinde yoğun araştırma konusu olurdu. Pek çok açıdan dikkat çekici olan grafen, bilim insanlarına bu malzeme için, tüketici teknolojisi ve çevre bilimi kadar çeşitli alanlarda geniş kullanım alanları düşünmeleri konusunda ilham verdi.
Esnek elektronik
Güçlü elektriksel özelliklerine ek olarak, ayrıca oldukça esnek ve şeffaftır. Bu, taşınabilir
elektronik cihazlarda kullanım için çekici kılar. Akıllı telefonlar ve tabletler grafen kullanarak çok daha dayanıklı hale gelebilir ve belki de kağıt gibi katlanabilir.
Giyilebilir elektronik cihazlar son zamanlarda popülerlik kazanmaktadır. grafen ile, bu cihazlar daha da kullanışlı hale getirilebilir, uzuvlara sıkıca oturacak ve çeşitli egzersiz biçimleri için bükülecek şekilde tasarlanabilir.
Ancak Graphene’in esnekliği ve mikroskobik genişliği sadece tüketici cihazlarının ötesinde fırsatlar sunuyor. Grafen biyomedikal araştırmalarda da kullanışlı olabilir.
İnsan vücudunda kolayca ve zararsız hareket edebilen, doku analiz edebilen ve hatta belirli bölgelere ilaç ileten küçük makine ve sensörler grafen ile yapılabilir. Karbon zaten insan vücudunda çok önemli bir bileşendir; eklenen küçük bir grafen zarar vermeyebilir.
Güneş pilleri / fotovoltaikler
Grafen hem iletken hem de saydamdır. Bu nedenle, güneş pillerinde bir malzeme olarak büyük bir potansiyele sahiptir. Tipik olarak, güneş pilleri, bir foton maddelere çarptığında bir yük üreten ve serbest bir elektronu salan silikon kullanır. Silikon, ona çarpan foton başına sadece bir elektron salar.
Araştırmalar, grafenin ona çarpan her foton için birden fazla elektron salabileceğini göstermiştir. Bu nedenle, grafen güneş enerjisini dönüştürmede çok daha iyi olabilir. Yakında, daha ucuz, daha güçlü grafen hücreleri yenilenebilir enerjide büyük bir artışa neden olabilir.
Grafen’in fotovoltaik özellikleri, kameralar gibi cihazlar için daha iyi görüntü sensörleri geliştirmek için kullanılabileceği anlamına da gelir.
Yarı iletkenler
Yüksek iletkenliği nedeniyle grafen, yarı iletkenlerde bilginin gidiş hızını büyük ölçüde artırmak için
kullanılabilir. Son zamanlarda Enerji Bakanlığı, yarı iletken polimerlerin, bir silikon tabakasına göre bir
grafen tabakasının üzerine yerleştirildiğinde elektriği çok daha hızlı ilettiğini gösteren testler gerçekleştirdi. Bu, polimer daha kalın olsa bile geçerlidir.
Bir grafen tabakasının üstüne yerleştirildiğinde 50 nanometre kalınlığındaki bir polimer, polimerin 10 nanometre tabakasından daha iyi bir yük iletti. Bu, önceki fikri hiçe sayarak bir polimerin ne kadar ince olursa o kadar iyi yük taşıyabileceğini savunuyordu.
Grafenin elektronikte kullanımının önündeki en büyük engel, bir bant boşluğunun olmaması, geçildiğinde bir elektrik akımının akışına izin veren bir maddedeki değerlik ve iletim bantları arasındaki boşluktur.
Bant boşluğu, silikon gibi yarı iletken malzemelerin transistör olarak işlev görmesini sağlayan şeydir; elektronlarının bant boşluğu boyunca itilip itilmemesine bağlı olarak bir elektrik akımı yalıtımı veya iletimi arasında geçiş yapabilirler.
Araştırmacılar grafene bir bant boşluğu vermek için çeşitli yöntemleri test ediyorlar; başarılı olurlarsa, grafen ile yapılmış çok daha hızlı elektroniklere öncülük edebilirler.
Su filtrasyonu
Grafenin sıkı atomik bağları, neredeyse tüm gazlar ve sıvılar için geçirimsiz olmasını sağlar. İlginçtir ki, su molekülleri bir istisnadır. Su, diğer gaz ve sıvılar çoğu grafen yoluyla buharlaşabildiğinden, grafen filtrasyon için istisnai bir araç olabilir.
Çünkü diğer gaz ve sıvıların aksine su grafen ile buharlaşabilir, grafen filtrasyon için istisnai bir araç olabilir. Manchester Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, grafenin alkolle geçirgenliğini test ettiler ve sadece örneklerdeki su grafenden geçebildiğinden, çok güçlü
alkollü içecekleri damıtabildiler.
Elbette, grafenin filtre olarak kullanılması, daha güçlü alkolleri damıtmanın ötesinde bir potansiyele sahiptir. Grafen ayrıca toksinlerin suyunun arıtılmasında son derece yardımcı olabilir. Kraliyet Kimya Derneği tarafından yayınlanan bir çalışmada, araştırmacılar oksitlenmiş grafenin suda bulunan
uranyum ve plütonyum gibi radyoaktif materyalleri bile çekebileceğini ve sıvıyı kirleticilerden arındırdığını gösterdiler. Bu çalışmanın sonuçları çok büyük.
Peki ya temizlik?
Nükleer atık ve kimyasal akış da dahil olmak üzere tarihteki en büyük çevresel tehlikelerden bazıları grafen sayesinde su kaynaklarından temizlenebilir.
Aşırı nüfus dünyanın en acil çevresel endişelerinden biri olmaya devam ettikçe, temiz su kaynaklarının korunması sadece daha önemli hale gelecektir. Gerçekte, su kıtlığı dünya çapında bir milyardan fazla insanı etkilemektedir, bu sayı sadece mevcut eğilimler göz önüne alındığında artmaya devam
edecektir.
Grafen filtreleri, su arıtmasını iyileştirmek ve mevcut tatlı su miktarını arttırmak için muazzam bir potansiyele sahiptir. Aslında, Lockheed Martin kısa süre önce şirketin tuzdan arındırma işleminde devrim yaratabileceğini iddia ettiği “Perforene” adlı bir grafen filtresi geliştirdi.
Mevcut tuzdan arındırma tesisleri, tuzları deniz suyundan süzmek için ters ozmoz adı verilen bir yöntem kullanır. Ters ozmoz suyu bir zardan geçirmek için basınç kullanır. Çok miktarda içilebilir su üretmek için, söz konusu basınç muazzam miktarda enerji gerektirir. Bir Lockheed Martin mühendisi, Perforene filtrelerinin enerji gereksinimlerini diğer filtrelerinkinden yüz kat azaltabileceğini iddia ediyor.
MIT grafeni “nanoporlarla” oluşturdu
Filtrasyon grafenin en belirgin kullanımlarından biridir ve MIT mühendisleri grafenin molekülleri ayırma yeteneğini mükemmelleştirmek için büyük adımlar atmışlardır. 2018’de MIT’deki bir ekip, grafen yapraklarında küçük, “iğne deliği” oluşturma yöntemi geliştirdi.
MIT’in araştırmacıları üretim için “rulodan ruloya” yaklaşımını kullanıyorlar. Kurulumları iki makara içerir: İlk makara fırının içinde uygun sıcaklığa ısıtılmış bakır levhayı besler, daha sonra mühendisler metan ve hidrojen gazı ekler, bu da esasen grafen havuzlarının oluşmasına neden olur. Grafen filmi fırından çıkar ve ikinci makaraya sarılır.
Teoride, bu işlem büyük grafen tabakalarının nispeten kısa bir sürede oluşturulmasına izin verir, bu da ticari uygulamalar için çok önemlidir. Araştırmacılar, grafenin mükemmel bir şekilde oluşmasını sağlamak için sürece ince ayar yapmak zorunda kaldılar ve ilginç bir şekilde, bu süreçteki kusurlu girişimler daha sonra faydalı oldu.
MIT ekibi grafende gözenekler oluşturmaya çalışırken, bunları çıkarmak için oksijen plazması kullanarak işe başladılar. Bu süreç zaman alıcı olduğundan, daha hızlı bir şey istediler ve sonuçlar için önceki deneyleri incelediler. Grafenin büyümesi sırasında sıcaklığı düşürerek gözenekleri ortaya çıkardılar. Geliştirme sürecinde kusurlar olarak ortaya çıkan şey, gözenekli grafen oluşturmak için yararlı bir yol haline geldi.
Süper İletkenlik
Cambridge’deki bilim adamları, grafenin, praseodimyum seryum bakır oksit ile eşleştirildiğinde bir süperiletken (elektrik direnci olmayan bir malzeme) olarak hareket edebileceğini gösterdikten kısa bir süre sonra, MIT’deki araştırmacılar başka bir şaşırtıcı özellik keşfettiler: Görünüşe göre doğru
konfigürasyonda tek başına süper iletken olarak işlev görebilir.
Araştırmacılar iki dilim grafen istiflediler, ancak onları 1.1 derecelik bir açıyla dengelediler. Nature’da yayınlanan bir rapora göre, “Cambridge’deki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde (MIT) fizikçi Pablo Jarillo-Herrero ve ekibi deneylerini oluştururken süperiletkenlik aramıyordu. Bunun yerine, sihirli açı olarak adlandırılan yönün grafeni nasıl etkileyebileceğini araştırıyorlardı.”
Keşfettikleri şey, elektriği kapalı filtre grafen yığınından geçirdiklerinde, süperiletken olarak işlev
gördüğüdür. Bu basit uygulama işlemi grafenin çalışmasını benzer bir süperiletken, cuprate sınıfından daha kolay hale getirir, ancak bu malzemeler çok daha yüksek sıcaklıklarda süperiletkenlik gösterir.
Süperiletkenlik gösteren çoğu madde bunu yalnızca mutlak sıfır sıcaklığına yakın sıcaklıklarda yapar.
Bazı “yüksek sıcaklık süper iletkenleri” olarak adlandırılan, 133 Kelvin (-140 Celsius) civarında
sıcaklıklarda süperiletkenlik gösterebilir; hidrojen sülfür, yeterli basınç altında, mucizevi -70 santigrat
derecede bu özelliği gösterir!
Grafen düzenlemesi mutlak sıfırın üstünde 1.7 dereceye kadar soğutulmalıydı, ancak araştırmacılar davranışlarını cuprates’inkine benzer olarak düşünüyorlar ve bu yüzden hala fizikçiler arasında büyük bir anlaşmazlık alanı olan geleneksel olmayan süperiletkenliği incelemek için çok daha kolay bir madde olacağını umuyorlar.
Süperiletkenlik tipik olarak sadece bu kadar düşük sıcaklıklarda gerçekleştiğinden, süperiletkenler sadece MRI makineleri gibi maliyetli makinelerde kullanılır, ancak bilim adamları bir gün oda sıcaklığında çalışan ve soğutma ünitelerine olan ihtiyacı ortadan kaldırarak maliyetleri düşürecek bir süperiletken bulmayı umuyorlar.
2019’da yayınlanan bir çalışmada, araştırmacılar belirli “sihirli” açılardaki grafen katmanlarının bükümün nasıl daha düşük sıcaklıklarda süper iletken özellikler üretebileceğini gösterdi.
Sivrisinek savunması
Pek az yaratık, kaşıntıya sebep olan ısırığa ve sıtma gibi korkunç hastalıkları yaymak isteyen sivrisinekler kadar tiksindiricidir. Neyse ki, Brown Üniversitesi’ndeki araştırmacılar grafen kullanarak olası bir çözüm buldular. 2019’da yayınlanan araştırma, cilt üzerinde bir grafen filmin sadece
sivrisineklerin ısırmasını engellemekle kalmayıp, aynı zamanda onları cildin üzerine inmesini engellediğini gösteriyor.Bir diğer muhtelem açıklama grafenin sivrisineklerin av kokusunu
engellediğidir.
Grafen araştırmasının geleceği
Grafenin görünüşte sonsuz güçlü yönleri göz önüne alındığında, onu her yerde görmeyi bekleyebilirsiniz. Öyleyse neden grafen yaygın olarak benimsenmedi? Çoğu şeyde olduğu gibi,en önemli şey para olduğu için. Grafen, büyük miktarlarda üretmek için hala çok pahalıdır, bu da seri üretim gerektiren herhangi bir üründe kullanımını sınırlar.
Ayrıca, büyük grafen tabakaları üretildiğinde, malzemede küçük çatlaklar ve diğer kusurların ortaya çıkma riski artar. Bilimsel bir keşif ne kadar inanılmaz olursa olsun, ekonomi her zaman başarıya karar verecektir. Üretim konuları bir yana, grafen araştırması hiçbir şekilde yavaşlamıyor. Grafen ilk keşfedildiği Manchester Üniversitesi de dahil olmak üzere dünyanın dört bir yanındaki araştırma laboratuvarları, yeni grafen oluşturma ve kullanma yöntemleri için patentlerini sürekli dolduruyor.
Avrupa Birliği, elektronikte kullanım için grafen araştırmalarını finanse edecek olan bir amiral gemisi programı için 2013 yılında fonlamayı onayladı. Bu arada, Asya’daki büyük teknoloji şirketleri Samsung da dahil olmak üzere grafen üzerinde araştırma yapıyorlar.
Devrimler bir gecede gerçekleşmez. Silikon 19. yüzyılın ortalarında keşfedildi, ancak silikon yarı iletkenlerin bilgisayarların yükselişine yol açması yaklaşık bir yüzyıl sürdü. Neredeyse efsanevi özellikleriyle grafen, insanlık tarihinin bir sonraki çağını yönlendiren kaynak olabilir mi?
Sadece zaman gösterecek.