Dünya üzerindeki en yaygın olan 15. Element karbon elementidir. Tüm kainatta da en çok bulunan ilk dört element arasında yer alır. Karbon diğer elementlerle birbirinden farklı bağlar kurabilir. Karbon sayesinde canlıların yapısındaki uzun zincirler elde edilebilir. Karbonun bulunduğu bir diğer yer ise kurşun kalemdir ve buradaki haline de grafit adı verilir. Grafit ise iki boyutlu ve birbirine yapışık halde bir görünüme sahiptir ve karbonun en değersiz hali olarak bilinir. Ancak tek bir tabakaya indirgendiğinde karbona ait farklı özelliklerin açığa çıktığı görülür. Seloteyp kullanılarak elde edilen tek tabaka sayesinde grafene ulaşılmıştır. 2004 senesindeki bu gelişmeden sonra grafenin elektrik ile ısıyı iletmedeki üstünlüğü ve dayanıklılığı keşfedilmiştir. 2010 yılında Nobel ödülünü getiren grafen sayesinde mini grafen topları olarak görülen fullerenler, nanotüpler üretilerek nano teknolojide çığır açılmıştır. Bu nedenle grafen sanayide, üretimde ve elektrikte oldukça önemli bir yere sahiptir.
Grafen nedir?
Teknolojide adeta devrimsel bir icat olarak görülen nano teknolojiye çağ atlatan grafen karbondan elde edilen bir maddedir. Görünümü itibariyle ii boyutlu ve bal peteğine benzetilmektedir. 2004 yılında keşfedilen grafen dünya bilim sahnesinde oldukça önemli bir yere sahiptir. Bu nedenle de 2010 senesinde Rus bilim adamları Konstantin Novoselov ile Andre Geim grafen sayesinde Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülmüştür.
Grafen sahip olduğu özellikler sayesinde fizik dünyasında kendisine benzersiz bir yer edinmeyi başarmıştır. Bilindiği üzere evrendeki maddelerin neredeyse tamamı 3 boyuttan oluşur. Bu sebeple de nadir olarak rastlanılan 2 boyutlu maddelere ilişkin çok az bilgi kaynağı mevcuttur. Karbondan elde edilen grafit 3 boyutluyken grafen 2 boyutludur. Basit bir bal peteği şeklinde görünür. Bu yapısı sayesinde de elektriği oldukça kolay bir şekilde iletebilir. En yüksek iletken özelliğine sahip olan maddelerin metal olduğu bilinir. Grafen bu genel kanının aksine ametal özelliktedir. Metal kullanılmaksızın elektrik iletimi gerektiğinde kullanılabilecek olan tek madde grafendir.
Sıra dışı özelliği sayesinde ufak boyutlu yerlerde elektrik iletimine ihtiyaç duyulduğunda grafen kullanılır. Minyatür hale getirilen grafenler transistör ve bilgisayarlarda yaygın olarak tercih edilir. Yapısı esne ve görünümü şeffaf olan grafenler küçük boyutlu teknolojk cihazlarda sıkça kullanılır.
Grafen nasıl icat edilmiştir?
Karbondan elde edilen grafenin keşfedilme sürecinin 1990’lı yılların başına uzandığı biliniyor. İlk olarak 1991 yılında Japon bilim insanı Dr. Sumio fulleren üretmeye çalıştığı esnada mikroskop incelemesinde yeni bir karbon elde etmiş olabileceğini görür. Söz konusu yeni karbon türevine de karbon nano tüp yani CNT denilmiştir. Bu da nano teknoloji adı verilen yeni bir teknolojik gelişmeyi beraberinde getirmiştir. Esasen nanoteknoloji fulleren ile CNT’lerden oluşur. Bunun ardından 2004 yılında iki Rus bilim insanı grafitteki iki tabakayı birbirinden ayırmak suretiyle grafeni elde etmiştir. Bu işlemi de sebant tekniği sayesinde yapmıştır. Söz konusu keşif çalışmaları sayesinde de iki Rus bilim adamı 2010 yılında Nobel Ödülü’ne layık görülmüştür. Bu keşif için bilim ve fizik dünyasında çığır açtığı söylenebilir. Daha önce 2 boyutlu bir elektrik iletkeni bulmanın imkansız olduğu düşünülürken 2 boyutlu grafenin keşfiyle bu görüş tamamen yıkılmıştır. 2 boyutlu olmasının yanı sıra grafen günümüze kadar bulunan en ince ve en hafif madde olma özelliğini de elinde bulundurmaktadır. Bu hafif ve inceliğinin tam tersine bir o kadar da dayanıklı olmasıyla bilinir. Gücü çelik ile kıyaslanamayacak kadar büyüktür. Karbondan elde edilen bir diğer madde olan elmas gibi grafen de fazlasıyla serttir. Bu özellikleriyle tezat oluşturacak şekilde esnek ve bükülebiliyor olması bu maddeyi benzersiz hale getirmektedir.
Grafen ne şekilde üretilir?
Grafenin üretilebilmesi için pek çok seçenek mevcuttur. Bunlar arasında sıvı faz pullandırma, mekanik pullandırma, kimyasal buhar çöktürme, SİC’in bozundurulması ile grafen oksidin indirgenmesi yer alır. Bu yöntemler arasında en çok grafen oksidin indirgenmesi tercih edilir. Bunun sebebiyse diğer yöntemlerin oldukça düşük düzeyde çıktı üretmesidir. Diğer yöntemler daha kolay olduğu ve daha az zaman aldığı için kullanılır. Bunun karşıtı olarak grafen oksidin indirgenmesinden fazla miktarda ürün elde edilse bile süreç daha uzun süreli ve zorlayıcıdır. Grafen oksidin indirgenmesi esasen kimyasal bir işlemdir. Bu nedenle de bu işlem yapılırken çok dikkatli olunması ve süreli kontrol edilmesi gereklidir. Bu yöntemden sonra kimyasal buhar çöktürme işlemi genellikle tercih edilmektedir.
Grafen elde edilen süreçte sıcaklık, indirgeyici çeşidi, işlem süresi, indirgeyici oranı ve indirgeyici türü belirleyici unsurlar arasında kabul edilir. Grafen elde edilmesine giden yolda tekrarlanabilen, sürdürülebilir, yüksek mamül elde etmeye elverişli ve güvenilir olan yöntem tercih edilmelidir.
Grafenin kullanım alanları nelerdir?
2 boyutlu, şeffaf görünümlü ve son derece iletken olan grafen özellikle nano teknolojide sıkça kullanılan bir içeriktir. Sensör, saydam elektrot, güneş paneli, FET yani field effect transistör uygulaması, enerji depolama cihazları, polimer kompoziti, fotodedektör, ısı transfer malzemesi, yakıt hücresi, hidrojen depolama cihazı, nano kompozit, batarya, katalizör desteği yapımında ve havacılık, enerji, otomotiv setöründe yoğun olarak kullanılan bir malzemedir. Grafen sayesinde üretilen lityum iyon piller şarj kapasitesi 800 mAH’e kadar arttırılabilir. Grafen kullanılarak henüz geliştirilmesine devam edilen teknolojik alanlar ise şu şekildedir:
- Su geçirmeyen nano teknolojik giysiler
- Küçük boyutlu ve yüksek verimlilikli biyosensör aletler
- Batarya yerine kullanılan süperapasitörler
- Daha hafif ve daha dayanıklı uçaklar
- Daha dayanıklı savunma malzemeleri
- Daha yüksek verimlilikli güneş pilleri
- Daha esnek yapıya sahip olan dokunmatik ekranlar
- Hızlı flash hafızalar
Grafen milimetreden bile küçük boyutu ve yüksek seviyedeki elektrik iletkenliği sayesinde en ufak teknolojik alet ve parçalarda, bataryalarda sıkça kullanılır. Hafif oluşu, ısıyı da kolayca iletmesi, esnek ve bükülebilen yapısı sayesinde üretimde gidere daha çok pay edinmektedir.
Grafenin özellikleri nelerdir?
- Grafen şeffaftır.
- İki boyutludur ve çok ince yapıdadır.
- Elektriği en iyi ileten maddelerin başında gelir.
- Oldukça hafif ve küçük boyutludur.
- Grafen çelikten bile sağlamdır. Çelikten 100 ile 300 kat daha dayanıklı olduğu için otomotivde ve uçak yapımında tercih edilir.
- Grafen elmas ve grafit gibi karbonun bir alotropu olarak kabul edilir. Birbirine bağlı karbon atomlarından oluşan grafendeki bu atomların arasında 0,142 nanometre ölçüsünde bağ uzaklığı bulunur.
- Oda sıcaklığı koşullarındaki en iyi iletken grafendir.
- Grafen çift katmanlı ve çok katmanlı şekillerde bulunabilir.
