GRAFEN

Grafen hakkında anlatmaya başlamadan önce bu malzemenin yapı taşı olan karbon atomundan söz edelim. Karbon atomu doğada en çok bulunan 6. element, bileşiklerin % 94’ü karbondan oluşuyor. Canlıların vücudunun %18’i karbon atomundan oluşur. Yani yaşamın yapıtaşlarının arasında yer alır.

Karbon atomu Dünyada çok fazla bulunuyor. Mesela karbon üç boyutlu halde bir düzen içerisinde güzel görünümlü ve  sağlam olan elması oluşturmuş. Her gün elmas görmüyoruz tabi ki ama her gün karşılaştığımız karbon oluşumu malzemeler var.

Çoğumuzun okula başlamasıyla daha fazla kullandığımız kurşun kalemde karbon oluşumudur. Yani bildiğimiz kurşun kalemde kurşun hiç bulunmuyor aslında karbonun iki boyutlu tabaklarının üst üste istiflenmesi ile oluşuyor.

İşte asıl konumuz olan grafen, karbonun tek hat şeklinde yani iki boyutlu olarak dizilmesiyle oluşur. Kurşun kalem ise grafen katmanlarının üst üste gelerek üç boyutlu bir yapı ile oluşuyor. Yani kurşun kalemin ucunu tek sıra atom şeklinde kesersek grafen elde etmiş oluyoruz.

Karbonun elmas, kömür veya kurşun kaleminin ucundan başka oluşturduğu maddeler var mı? Karbon atomlarının farklı şekilde birbirlerine bağlanmasıyla oluşan daha farklı yapıda maddeler var. Bunlara karbonun allotropları deniliyor. Karbonun allotropları elmas, grafit ve fullerenlerdir.

GRAFENİN ATOMLARINI İNCELEYELİM

Yapısında bulunan karbon atomları iki boyutlu olarak bal peteği düzeninde birbirlerine bağlanmıştır. Grafit ise bu malzemenin tabakalarının üst üste üç boyutlu olacak şekilde bağlanmasıyla oluşur. Yani grafeni bir kağıt olarak düşünürsek grafit ise üst üste konulmuş bir tomar kağıttan oluşur.

Grafen, kurşun kalemin ucunu oluşturan grafitten çok daha dayanıklı. Kurşun kalemin ucuna hafif baskı yapınca ufak parçalara ayrıldığını görebilirsiniz. Tamam da birlikten kuvvet doğması gerekmez mi tek bir tabaka yerine üst üste tabakalar daha sağlam olması gerekmez mi? Belki aynı bağı, aynı bağ kuvvetini sağlasalar dediğiniz olabilir.

Grafeni oluşturan karbon-karbon bağları arasında 1.42 Angstrom uzaklık varken grafiti oluşturan tabakaları arasında 3.35 Angstrom uzaklık bulunuyor. Anlayacağınız gibi uzaklık arttıkça çekim kuvveti azalacağı için grafit grafenden daha dayanıksız oluyor.

Fakat 2004 yılına kadar araştırmacılar tek katmanlı bir malzemenin küçük sıcaklıkta bile dağılacağını düşünmüşlerdir. 2004 yılında grafeni sentezlemeyi başarınca biz nerede yanlış yaptık diyerek sebebini araştırmışlar. Sonuçta tek katmandan oluşan bu malzeme çok katmandan oluşan grafitten daha sağlam. Sebebinin yüzeye dik termal dalgalanmalar olduğunu düşünüyorlar.

GRAFENİ NASIL ELDE ETTİLER?

Andre Geim, Kostya Novoselov ve arkadaşları 2004 yılında grafitten grafen elde etmişler. Sıradan bir selobantı grafite sürekli yapıştırıp çekmişler. Bu basit işlemde çok dayanıklı ve çok iyi bir iletken olan iki boyutlu katman elde edilmiş.. 

İlk grafen elde etme işlemi bu kadar basit. Şu anda ise  bilinen dört tane üretim yöntemi var. Bunlar;

Katman Ayırma Yöntemi, grafit bir yüzey üzerinde kaydırılarak grafen ayrıştırılır. İlk yapılan bant yöntemi de bu metot içerisine eklenebilir. Yöntemde bir nevi rendeleme yapılıyor ve grafit ufak parçalarına ayrılarak grafen oluşturuluyor.

Epitaksiyel Büyütme, grafenle etkileşebilir bir alttaş üzerinde grafen büyütülmesidir.

Silisyum-Karbon Yöntemi, bu metod bir grafitten grafen elde etme değilde farklı bir malzemeden grafen elde etme üzerine kuruludur. Silisyum-karbondan oluşan madde 1100 dereceye kadar ısıtılır bu sayede Silisyum buharlaşır ve geriye kalan karbon atomları kendi aralarında bağ kurarak grafen oluşturur.

Kimyasal Ayrıştırma Yöntemi, bu yöntemde fiziksel olarak katmanları ayırmak yerine asit kullanılan kimyasal bir yöntemdir. Sitrik asit katılarak grafitten grafen katmanları ayrıştırılabilir.

GRAFENİN ÖZELLİKLERİ

• Sağlamlık. Çeliğin ne kadar güçlü ve dayanıklı olduğunu biliyorsunuz grafen ise çelikten  200 kat daha dayanıklıdır.

• Şimdiye kadar elde edilebilen en ince malzeme olarak biliniyor
• Kağıttan 1000 kat daha hafif yani bir gram grafen ile bir futbol sahası kaplanabilir
• Yaklaşık %98 saydamlığa sahiptir. Bu da gelecekte telefon, tablet gibi teknolojik alanlarda kullanılacağını gösteriyor
• Oda sıcaklığında çok iyi elektriği iletmektedir. Bu da geleceğin teknolojisinde kullanılacak gibi sebebi ise elektriği iletmesi için metaller kullanılır fakat grafen bir ametal. İletkenlik açısından bir diğer avantajı ise direncinin fazla olmaması.
• Birçok alanda kullanılacak bu madde evrende en çok bulunan 4. element olduğu için üretimi için kaynak sıkıntısı olmayacak.

NERELERDE KULLANILIR?

Dünyada ilk kez keşfedilen iki boyutlu malzemedir. Bir de 2004 yılında keşfedildiğini düşününce daha bir çok alanda nerelerde kullanılacağı bile bilinmiyor olabilir.

Grafen tabakası rulo haline getirildiğinde karbon nanotüpler oluşturuluyor. Nanotüpler ise nanoteknolojinin temelini oluşturarak elektronikten sağlık alanına kadar bir çok alanda kullanılmış veya kullanmak için projeleri tasarlanıyor.

Grafen Transistörü (GFET), Manchester University The School of Physics and Astronomy’de Andre Geim ve Kostya Novoselov atom kalınlığında ve 50 atom genişliğinde transistörü yaptılar. Bu transistörün gelecek teknolojisi için çok önemli bir yeri var. 

Günümüzde elektronik teknolojisinin temelini silikon oluşturuyor. Silikon artık üst aşamalara yani kabiliyetinin sınırına geliyor. Bu sınırı aşabilmenin yolunun grafenden geçtiği düşünüldüğü için INTEL ve IBM gibi teknoloji devleri bu malzemeyle ilgili araştırmaları destekliyorlar.

Grafen ile çok küçük boyutta piller. Pillerde yapılan depolama gibi hidrojen depolama için de kullanılabilir. Dünyada oldukça fazla tüketilen fosil yakıtlardan dolayı yakın bir tarihte enerji ihtiyacımız olacak bu yüzden hidrojen teknolojisi bu konularda çok önemli bir yere sahip. Bu teknolojide Lityum atomları grafen üzerine yapışması ile oluşan yapı kendisinin %12’si kadar hidrojen depolayabiliyor. Bu teknoloji daha araştırma geliştirme aşamasında.

Bunların yanında bir çok alanda geliştirilmeye açık olan bu malzeme daha nerelerde kullanılacak. Radyoaktif atıkların daha kolay temizlenmesinde, çok hızlı yapılan elektrik depolama işlemlerinde, çok sağlam ve hafif malzemeler yapımında, nanoteknoloji alanlarında oldukça büyük sektörlere faydalı olabilir. Mesela su geçirmeyen kıyafetlerde, daha hafif uçak teknolojisinde veya nano düzeyde daha sağlam olması için kaplama yapılmasında kullanılabilir.