Genel

Laboratuvarda Bu Zamana Kadar Keşfedilmiş En Sağlam Malzeme; Grafen

Grafen, karbon atomunun bal peteği örgülü yapılarından bir tanesine verilen isimdir. Periyodik tablodaki en ilginç elementlerden biri Karbon atomudur. Karbonun grafit (kurşun kalem, katı yağlayıcılar vb.) ve elmas gibi gündelik hayattan çok iyi bilinen allotroplarının yanında nanotüp ve fulleren gibi yeni sentezlenen formları da mevcuttur. Özellikle karbon nanotüpler ve C60 (fulleren) molekülleri ilk sentezlendikleri yıllardan günümüze kadar katı hal fiziğini son derece aktif araştırma alanları arasına girmiştir.

Bal peteği kristal yapısında, orbital sp2 melezleşmesi yapan; grafitin, nanotübün ve C60’ın ana yapıtaşı olan grafen ise ancak 2004 yılında sentezlenebilmiştir. İngilizce’de “Graphite” ve “ene” kelimelerinden türetilen “graphene” terimi türkçede grafen olarak karşılık bulmuştur. 2010 Nobel Fizik Ödülü, “iki-boyutlu grafen malzemesine ilişkin çığır açan deneyleri için” Andre Geim ve Konstantin Novoselov’a verilmiştir.

Kimyasal Yapısı

 

Karbonun bal peteği örgülü yapıları olan grafen, grafit, karbon nanotüp ve fulleren sp2 melezleşmesi nin ürünüyken elmas ise sp3 melezleşmesi ve dört-yüzlü ağ örgüsü ile öncekilerden farklı bir kategoride değerlendirilir. Grafen, iki boyutlu planar yapıların çok ender örneklerinden birisidir. Karbon atomları 1s ve 2p orbitallerinin birleşimi ile 120 derece açılı sp2 melezleşmesi yaparken boşta kalan pz orbitalleri de grafen malzemesine sıradışı özellikler kazandırmaktadır.

Grafen yapısında karbon-karbon bağ uzaklığı yaklaşık olarak 1.42 Angstrom iken grafen tabakalarının üst üste gelmesi ile meydana gelen grafitte iki grafen tabakası arasındaki mesafe yaklaşık 3,35 Angstrom’dur. Grafendeki güçlü karbon bağları ona yeryüzündeki bilinen en sağlam malzemelerden biri olma özelliğini kazandırmıştır. Bununla birlikte grafitteki grafen katmanlar arasındaki bağlar oldukça zayıftır. Kurşun kalemi kağıda sürtünce bu zayıf bağlar kırılmakta ve kağıda yayılan grafen ve grafit tabakalar yazı izlerini oluşturmaktadır.

Karbon nanotüpler, C60 molekülleri ancak yapay yollarla sentezlenebilirken elmas ve grafit doğada serbest olarak bulunabilmektedir. Termodinamiksel hesaplamalara göre karbonun grafit fazı elmastan dahi daha kararlıdır. Fakat bunlara rağmen grafitin tek katmanlı hali olan grafen malzemesin sentezlenmesi 2004 yılına kadar gerçekleşememiştir. Hatta L. D. Landau ve R. Peierls gibi önemli fizikçiler grafen gibi iki boyutlu malzemelerin teorik olarak kararlı olamayacaklarını; bu kararsızlığın düşük sıcaklıklarda bile malzemenin dağılmasına yol açacağını öngörmüşlerdir. Grafenin kararlı yapısının altında yatan sebebin yüzeye dik termal dalgalanmalar olduğu düşünülmektedir.

Grafen, grafit yapısının tek katmanıdır. İki boyutlu bu yapı iletkendir. Belli düzenlerle kesilip yuvarlanırsa karbon nanotüpler elde edilebilir. Kusursuz grafenler tamamıyla altıgen hücrelerden oluşurlar; beşgen ve yedigen hücreler yüzey üzerindeki hatalar olarak varsayılır. Eğer izole edilmiş bir beşgen hücre varsa bu zamanla konik bir şekil alır. Aynı şekilde yedigen bir hücre de semer şekilli bir yapıya dönüşür. Beşgen ve yedigen hücrelerin kontrollü birleşimleri ile değişik şekiller elde edilebilir. Tek duvarlı karbon nanotüpler grafen silindirleri olarak düşünülebilir, bazı nanotüplerde iki uçta altıgen hücreden kapaklar bulunur. Grafen son zamanlarda teknoloji geliştiricilerinin dikkatini çekmiştir. Georgia Tech araştırmacıları Mart 2006’da grafenlerden oluşan alan-efekti transistörleri ve kuantum girişim aygıtları üretmeyi başarmıştır.

Sentezlenmesi

2004 yılında şaşırtıcı bir şekilde bilimadamları iki boyutlu grafen kristallerini ayırmayı başardılar. Andre Geim, Kostya Novoselov ve proje arkadaşları sıradan bir yapışkan selobantı grafit üzerine tekrar tekrar yapıştırıp kaldırarak tekil grafen katmanını ayırmayı başardılar ve izole ettikleri grafen katmanını basit bir optik mikroskop ile gözlemlediler. Bu olay ilk başlarda pek dikkat çekmedi. Fakat daha sonraları grafende keşfedilen kütlesiz Dirac fermiyonları, anormal kuvantum hall etkisi, oda sıcaklığında balistik taşınma, Klein paradoksu, gibi yeni olgular grafende deneysel olarak gözlendi. Bunlar sonucunda grafene olan ilgi son derece arttı ve artmaya da devam etmekte. Grafen yaygın olarak şu yöntemler ile elde edilmekte:

Katman Ayırma Yöntemi (Eksfoliasyon Yontemi)

Grafit tabakası bir yüzey üzerine kaydırılarak grafen katmanlarının ayrışması sağlanır. Grafitin selobant ile katmanlarını ayrıştırılması da bu metot içerisinde değerlendirlir. Grafenin ilk kez sentezlenmesi Manchester grubu tarafından bu yöntem kullanılarak gerçekleştrilmiştir. 100 mikrometre büyüklükte grafen parçacıkları bu metot ile sentezlenebilmektedir.

Epitaksiyel Büyütme

Bir alttaş üzerinde grafenin büyütülmesidir. Grafenin büyütüldüğü alttaş grafen ile etkileşebilmektedir.

Silisyum-Karbon Yöntemi

Silisyum-karbonun yaklaşık 1100 dereceye kadar ısıtılması ve silisyum atomlarının buharlaşması sonucu kalan karbon atomlarının kendi aralarında grafen oluşturması metodudur. Oluşan grafen parçacıkları diğer metotlar ile karşılaştırıldığında küçük kalmaktadır.

Kimyasal Ayrıştırma Yöntemi

Grafit tabakalarının arasına sitrik asit gibi kimyasallların katılması ile grafen tabakalarının ayrıştırılması sağlanabilmektedir.

Grafenin İki Boyutlu Yapısı:

Evrende rastladığımız malzemelerin neredeyse hepsi üç boyutludur. Bilim insanları da bir malzemenin özellikleri, iki boyutlu düzende olduğunda nasıl değiştiğiyle ilgili henüz çok az bir bilgiye sahiptir. Grafenin özellikleri de karbonun üç boyutlu düzeni olan grafitten çok farklıdır bu sebeple grafen araştırmaları malzemelerin iki boyutlu düzende nasıl özellikler kazandığını tahmin etmemizde oldukça yararlıdır.

Elektriği En İyi İleten Malzeme; Grafen:

Elektrik bu basit bal peteği grafen yaprağı üzerinden çok hızlı akmaktadır. Bilinen birçok iletken metaldir, fakat grafen karbon temelli bir ametaldir. Bu sebeple, elektrik akımını metal olmadan iletmek durumunda kalacağımız koşullar için grafen araştırmaları önem kazanmaktadır. Bu koşulların ne olduğuyla ilgili soruyu cevaplamak için ise henüz erken.

Kullanım alanları

Grafen bilinen ilk iki boyutlu malzemedir ve bu özelliğiyle teknolojik uygulamalar hususunda oldukça ilgi çekmektedir. Grafenin rulo haline gelmiş formu olan karbon nanotüpler ile alakalı günümüze kadar elektronikten sağlığa birçok alanda binlerce kullanım alanı düşünülmüştür. Grafenin de karbon nanotüpler için ön görülen alanlarda adapte edilmesi mümkündür. Nanotüpler için edinilmiş deneyimlerden yararlanılması sayesinde grafen teknolojisinin önümüzdeki yıllarda büyük bir atılım gerçekleştirmesi ümit edilmektedir. Grafenin nanotüplere oranla daha basit olan elde ediliş teknikleri ve bu tekniklerin nanotüplere göre daha kontrol edilebilir olması grafenin nanotüp teknolojisi üzerine hakimiyet kurmasını da beraberinde getirebilir.

Her ne kadar grafenin ilk sentezlenişi 2004 yılında gerçekleşmiş olsa da yapılan araştırmalar neticesinde gerçekçi kullanım alanları ortaya cıkarılabilmiştir. Örnek vermek gerekirse şunlar gösterebiliriz.

Grafen Transistor

Grafenin akla gelen ilk uygulama alanı grafen kullanılarak elde edilmiş olan transistörlerdir. Manchester University The School of Physics and Astronomy’de Prof.Andre Geim ve Dr.Kostya Novoselov bir atom kalınlığında ve en fazla elli atom genişliğinde grafen transistörü geliştirdiler. Grafen dik yöndeki elektrik alana verdiği tepkiden dolayı FET yapımına uygundur. Bu transistör oda sıcaklığında çalıştığından elektronik aygıtlar için oldukça önemlidir. Bu aygıtların başında quantum noktaları,devreler arası bağlaç aygıtlar ve mantık kapıları gelmektedir. Günümüzdeki silisyum tabanlı elektronik teknolojisi gün geçtikçe sınırlarına yaklaşmaktadır. Çünkü silisyum çok küçük ölçeklerde kararlılığını kaybetmekte ve daha başka problemler ortaya çıkmaktadır. Yarı iletken endüstrisinin elektronik bileşenlerin küçültülmesi konusunda gelecek yirmi yıl içinde karşı karşıya kalması beklenen en büyük sorunlardan biri olan alt sınıra ulaşılması grafen sayesinde aşılabilecek gibi duruyor. Silikon tabanlı teknoloji alt sınıra ulaştığı zaman sadece tek bir atom kalınlığındaki grafen, bu soruna bir alternatif oluşturabilecek. Bu sebebten INTEL ve IBM gibi dev teknoloji şirketleri grafen ile alakalı araştırmaları etkin bir biçimde desteklemektedirler.

Grafen ve pil teknolojisi

Grafen, sağlam olduğu kadar iyi de elektrik tutmakta ve bu özelliğinin pil teknolojisinde devrim yaratması beklenmektedir. Elmas keskilerine dayanacak kadar güçlü bir karbon tabakası olan grafenin, yongaların bileşiminde silikonun yerini alabilecek olmanın yanı sıra şarj ömrünü de inanılmaz uzatabileceği düşünülmektedir. Amerika Birleşik Devletleri’nde bulunan Teksas Üniversitesi’nin araştırmacıları, normal pillerden daha güçlü elektrik depoları olan ultrakapasitörleri grafen tabanlı olarak imal etmeyi başardılar. Sonuç, normalin iki katı kapasiteye sahip olan ultrakapasitörler oldu.

Grafen Sensörler

Grafenin sensör teknolojisinde kullanılması da bir diğer kayda değer gelişmelerdendir. Yine Andre Geim ve grup elamanları grafeni kullanarak azot dioksit moleküllerinin grafen yüzeyine yapışma ve ayrılmasını moleküler hassasiyette tespit etmeyi başardılar sensor. Grafen kullanarak NEMS sistemleri yapmak da mümkündür. Cornell Üniversitesinden araştırmacılar grafeni son derce hassas elektromekanik rezonatör yapımında kullanmışlardır resonator.

Grafen ve Hidrojen Depolama

Pil teknolojisinde olduğu gibi hidrojen depolamada da grafen malzemesi oldukça önemli roller üstlenebilir. Artan küresel ısınma ve fosil yakıtların gün geçtikçe azalması araştırmacıları yeni arayışlara itmektedir. Hidrojenin verimli bir şekilde depolanıp elektrik enerjisi gereken yerlerde kullanılması için oldukça yoğun araştırmalar yürütülmektedir. Bilkent Üniversitesinden Salim Çıracı ve grubunun yaptığı teorik modellemeler neticesinde Lityum atomlarının grafen üzerine yapışması sonucu oluşan yapının ağırlığının % 12 si kadar hidrojeni depolayabileceği öngörülmüştür.

Grafen ve spintronik

Spintronik teknolojisi de günümüzde oldukça önem kazanmaya başlamıştır. Elektronların yüküne ek olarak sahip oldukları spinlerini de kullanmaya çalışan bu teknoloji günümüz bilgi depolama sistemlerinde hayati öneme sahip bulunmaktadır. Grafen nanoşeritlerin de sahip oldukları manyetik özellikler sayesinde spintronikte kullanım alanları doğmaktadır. Bilkent Üniversitesinden Salim Çıracı’nın spin durumlarının grafen şeritlerinde hapsolmasını öngören çalışmasına ek olarak Tuğrul Senger’in Hasan Şahin ile yaptığı çalışma Türk bilim adamlarının bu konudaki katkılarına örnek gösterilebilir. Ayrıca grafen nanoşeritleri Demir ve Titanyum atomları katkılanarak yarı metal özellik kazanabilmektedir. Belirli spin yönününde akım geçirip diğer yönde yalıtkan olan yarı-metal malzemeler de spintronik teknolojisinde önemli yere sahiptir.

Şerit grafen

 

Şerit grafenler kenar yapısına göre düz ya da zigzag olarak ayrılırlar. Şerit grafenler spin bağımlı özellikleri ile dikkat çekerler. Yapılan deneyler ve kuramsal hesaplar, zigzag grafen şeritlerin kernar bölgelerinde yerelleşmiş elektronların zıt spin özelliğine sahip olduklarını göstermiştir. Fakat düz kenarlı grafit şeritlerde bu durum gözlenmemektedir. Zıt spin yapılarının her iki tarafta Fermi seviyesine yakın bulunmaları, şerit grafenleri potansiyel spin ayracı konumuna getirmektedir.

Kimyasal düzenleme

 

Grafenin çözünebilir parçaları laboratuvar koşullarında grafite bazı kimyasal işlemler uygulanarak elde edilebilir. Öncelikle, mikrokristal yapıdaki grafite güçlü bir Sülfürik asit ve nitrik asit karışımı uygulanır. Ardından uygulanacak olan oksidasyon ve eksfolyasyon işlemleri ile uçlarına karboksil grupları bağlanmış grafen tabakaları elde edilir. Thinoil klorid kullanılarak bu yapılar asit klorid gruplarına çevrilir. Sonrasında oktadesilamin ile bu yapılar da grafen amidlere çevrilir. Oluşan 5.3 Angstrom kalınlığındaki dairesel grafen katmanları tetrahidrofuran, tetraklorometan ve dikloroetan tarafından çözülebilir.

Grafen optik modülatör

Grafenin Fermi seviyesi ayarlandığı zaman, optiksel soğurma özelliği de değişebilir. 2011 yılında Kaliforniya Berkeley Üniversite’sindeki araştırmacılar, ilk grafen tabanlı optiksel modülatörü bildirdiler. Herhangi bir sıcaklık kontrolcüsü olmaksızın 1,2 GHz seviyesinde çalışmaktadır ve bu modülatörün geniş bir bant aralığı (1.3 μm den 1.6 μm ye kadar) vardır.

Grafen ve Kuantum Mekaniği:

Grafen, kuantum elektrodinamiğinde tahminleri test etmek için kullanılabilir. Bu, araştırmaların yeni bir alanıdır çünkü Dirac parçacıklarını görüntülemeye yarayan malzemeler kolaylıkla elde edilememektedir. Grafen ise çok zor elde edilen bir malzeme değildir, öyle ki evde kurşun kalem ile kağıt üzerine bir çizgi çektiğinizde, üst üste birçok grafen yaprağı elde etmiş olursunuz. Eğer bir silgi yardımı ile bu katmanları tek bir katman haline gelecek şekilde temizleyebilirseniz, grafen elde edebilirsiniz.

Grafen dünyası tek-katman, altıgen düzende karbon atomları anlamına gelmektedir. Eğer grafen başka bir düzende ise, bu özellikle belirtilmiştir. Örneğin çift katmanlı grafen ya da çok katmanlı grafen, bu malzemenin diğer formlarıdır. Elmasta ve grafitte olduğu gibi grafen bir karbon alotropudur. Daha da detaylandıracak olursak, grafen sp2 bağlı karbon atomlarından oluşmuştur ve atomları arasında 0.142 nm molekül bağ uzaklığı vardır.

Grafenin en önemli üç özelliği çelikten 100 ile 300 kat arası daha sağlam olması, şu ana kadarki bilinen oda sıcaklığında en iyi iletken olması ve esnek olmasıdır. Grafen bilinen en ince ve en hafif malzemedir. Grafen saydamdır.

Grafenin Potansiyel Kullanım Alanları

Grafen ile ilgili araştırmalarda bilim insanları henüz yolun çok başındalar fakat geliştirilmekte olan bazı teknolojiler şunlar:

Bataryaların ultra hızlı şarj edilmesi

Radyoaktif atıkların daha kolay temizlenebilmesi

Hızlı flash hafızalar

Güçlü ve daha dengeli aletler ve spor ekipmanları üretilmesi (tenis raketi gibi)

Grafen temelli güncellenebilen elektronik kağıtlar

Küçük ve verimli biyoosensör cihazlar

Bataryaların yerini alabilecek süperkapasitörler

Su geçirmeyen kıyafetler

Daha sağlam ve hafif uçaklar ve koruma ekipmanları

Doku yenilenmesinde yardımcı malzeme olarak kullanmak

Tuzlu suyu, içilebilir suya dönüştürmek

Doğrudan vücuttaki nöronlara bağlanabilen biyonik cihazlar

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.