Grafen Nedir ? Grafen Kullanım Alanları Nelerdir ?

Grafen Nedir ?

Karbon ile ilgili hazırladığımız makalemizde de bahsettiğimiz grafen, son dönemde keşfedilen ve insanlığa faydaları saymakla bitmeyecek bir malzeme türü olarak karşımıza çıkmaktadır. 2010 yılında, bu malzeme ile ilgili yaptıkları deneyler için Andre Geim ve Konstantin Novoselov‘a Nobel Fizik Ödülü layık görülmüştür.

Grafen, en kısa şekilde tanımlanmak istenirse karbon atom dizilimlerinin oluşturduğu grafit maddesinin iki boyutlu yani tek düzlemdeki halidir. Her bir karbon atomu, 3 farklı karbon atomu ile bağ yapar. Oluşan ağ şeklindeki moleküller de tek bir düzlemde yer alır. Yani üst üste atom yoktur ! Bütün atomlar yan yana dizilmiştir.

Grafen Nedir

Grafen Molekül Dizilişi

Yukarıdaki şekilde açıkça görüleceği üzere, Altıgen şekilde birleşmiş karbon atomlarının tek bir atom yüksekliğinde meydana getirdiği yapıya grafen denmektedir. Grafen yapısını tam olarak anlayabilmek adına ilk önce grafitin ne olduğunu öğrenmemiz gerekmektedir.

Grafit, en temel anlatımla karbon atomlarından oluşmuş bir yapıdır. Karbonun en temel 2 farklı allotropik dizilimi mevcuttur.Bunlardan ilki elmas, diğeri ise grafittir. Karbon allotropisine bakıldığında, grafit yumuşak bir malzeme grubuna girerken, elmas ise bilinen en sert malzemedir. Yani aynı atomların farklı varyasyonlar ile dizilişleri, fiziksel ve kimyasal özellikleri tamamen değiştirebilmektedir.

Grafit, günümüzde bir çok alanda kullanılmaktadır. Örnek olarak;

Kullanılmaktadır.

İlginç bir örnek olarak, bir kurşun kalem kağıda yazı yazmak için sürüldüğünde, kurşun kalemin uç kısmını oluşturan grafitten parçalar kopmakta ve kağıda yazı olarak düşmektedir. İşte kurşun kalem ile yazılan yazılarda kağıt üstünde hem grafit izleri hem de grafen izleri bulunmaktadır.

Grafen Sentezlenmesi

2004 yılına kadar grafenin sentezi laboratuvar ortamında gerçekleşememiştir. 2004 yılında Andre Geim ve Konstantin Novoselov laboratuvarda sıradan bir grafit parçası üstüne, yapışkan bantı yapıştırarak ve kaldırarak uzun denemeler sonucunda ve aslında basit bir yolla, tarihte ilk defa grafeni, grafitten bilinçli olarak ayırmayı başardılar. Grafit, Van Der Waals bağları ile birbirlerine bağlı olan grefen hücrelerinden oluşmuştur. Bu bilim insanlarının aslında yaptığı bu bağları kopararak tek düzlemde ( 2 boyutlu ) bir katmanı elde etmekti.

İlk başta grafenin ne işe yarayacağını bilemeyen bilim insanları, grafen üstünde yaptıkları deneyler neticesinde, yeni yüzyılın malzemesini keşfettiklerini anladılar ve adlarını bilim dünyasına altın harfler ile yazdırmayı başardılar.


Grafen ve Özellikleri

Önceki yazılarımızda ve bir önceki paragrafımızda bahsettiğimiz gibi, grafit bir karbon allotropudur ve bu malzemeden sadece 1 atom yüksekliğinde bir parça alındığında bu malzeme grubuna grafen adı verilmektedir. Grafen denildiğinde tek bir malzeme aklımıza gelmemelidir. Çünkü bu da aynı, metaller, seramikler ve plastikler gibi bir malzeme grubunu temsil etmektedir. Her nasıl metal denildiğinde yüzlerce farklı tip metal var ise, grafen de bir çok farklı tip malzemeyi bünyesinde barındırmaktadır.

İnsanlık tarihinde bugüne kadar keşfedilen en hafif malzeme olarak tarih sayfalarda yerini almıştır. Yani yüzey / ağırlık oranı açısından incelendiğinde en büyük değeri veren malzeme grubu grafen olarak karşımıza çıkar. Ağırlığı minimum, yüzeyi ise çok geniştir. Benzetme yapacak olursak bir kaç gram grafen ile, binlerce metrekare alanı bu malzeme ile kaplayabilirsiniz.

Grafen, hem çok sert bir malzemedir hem de bu sertliğine rağmen sınırları zorlayacak kadar esnektir. Bu da bilimin pek alışık olmadığı tezat iki özelliği bir arada bulunduran bir malzeme grubunu literatüre sokmuştur. Çünkü elmastan bildiğiniz üzere, elmas Dünya’da bulunan en sert malzemedir ve sertliği dolayısı ile en kırılgan malzemedir. Grafen de bu durum yoktur.

Bu özellikleri özetleyecek olursak;

  • Grafen Dünya tarihinde keşfedilen ilk ve tek iki boyutlu malzemedir.
  • Bilinen en hafif ve esnek malzemedir.
  • Elmastan bile sert olan varyasyonları üretilebilmiştir. Ancak halen doğal olarak en sert malzeme elmastır. Çünkü grafen laboratuvar şartlarında üretilebilmektedir.
  • Transparan yani ışığı geçiren bir yapısı vardır. ( Tek katman atomdan meydana geldiği için )
  • Ortalama bir çeliğe göre dayanımı 250 – 300 kat fazladır.
  • Günümüz teknolojisinde elektrik iletkenliği çok önemlidir. Özellikle elektriği kayıpsız ya da minimum kayıpla iletmek, günümüz mühendisleri için bir nimet sayılmaktadır. Grafen, elektriği bakırdan bile iyi iletebilmektedir.

Kullanım Alanları Nelerdir ?

Bilim ve Mühendisliğin insanlık tarihindeki aktif süresi düşünüldüğünde, grafenin henüz emekleme çağında bir malzeme olduğu ve üretimi ve tüketiminin çok pahalı olduğu bir dönemdeyiz. Laboratuvar düzeyinde kullanım alanları belirlense bile pratik olarak kullanımı henüz sınırlı sayıda bulunmaktadır. Bilim insanları, henüz bu malzemenin insanlığa sağlayacağı faydaları tam olarak kestirememektedir.

  • Çok Güçlü Pil – Batarya Üretimleri
  • Özellikle Cep Telefonları İçin Bükülebilir Ekran Teknolojisi
  • Süper Hızlı Bilgisayarlar
  • Süper İletken Malzemeler
  • Direkt Olarak Vücuda Takılabilecek Biyosensörler
  • Çok Daha Kolay ” Karbon Nanotüp “ Üretimi
  • Hızlı Veri Transferi – Telekomünikasyon

Transistörler


Yukarıdaki konulara ek olarak, bilindiği gibi günümüzdeki elektronik ve bilgisayar sistemlerinde kullanılan transistörler artık belirli bir sınıra ulaşmışlardır. Yani, cihazların ufaltılması ve hızlandırılması için kullanılan çok daha küçük boyutta transistörler için yeni malzeme grupları arayışlarına girilmiştir. Bunun nedeni, bu transistörlerde kullanılan silisyum belirli bir alt sınırı mevcuttur. Yani, belirli bir miktarın altına düşüldüğünde bu silisyum kararlı olmaktan çıkmaktadır. Karasız bir yapıda olması da transistörlerin işlevlerinin yitirilmesine neden olacaktır.

İşte tam da bu noktada çok küçük boyutlarda transistör imalatı yapımına olanak sağlayan grefen malzemesi kullanım fikri doğmuştur. Çünkü yarı iletken teknolojisinde çığır açabilecek özelliklere sahip olan grafen, artık silisyumun yetemediği durumlarda bayrağı devir alacak ve daha da ilerilere taşıyacaktır.

Piller

Piller artık hayatımızın vazgeçilmez bir parçasıdır. Ancak; piller hayatımıza bu denli işleyen piller, mevcut malzeme teknolojileri ile gelebilecekleri yerlere kadar geldiler. Günümüzdeki cihazlar eskisinden çok daha yetenekli ancak; çok daha yüksek enerji gereksinimleri ile birlikte gelmektedir.

Grafen Kullanımı ve Pil İmalatı

Grafen Kullanımı ve Pil İmalatı

Önceki paragraflarımızda da bahsettiğimiz üzere, sahip olduğu en büyük yüzey / ağırlık oranına sahip olmasının da etkisi ile elektrik depolama miktarı çok çok yüksektir. Ultra yüksek kapasiteli pil üretimi grafen ile birlikte mümkün görülmektedir. Bu gerçekleştiğinde, örnek olarak ortalama bir pil ömrüne sahip bir cep telefonu bir kaç saniye içerisinde şarj olabilecektir.

Grafen ve Bükülebilir Dokunmatik Ekranlar

Artık dokunmatik ekranlar hayatımızın vazgeçilmez bir parçasıdır ve bu ekranlarda kullanılan teknoloji de yavaş yavaş eskimektedir. Dokunmatik ekranların işlevlerini yerine getirebilmesi için ekranda bulunan ITO malzemesi şimdiye kadar görevini yerine getirebiliyordu. Bu malzeme, saydam ve elektriği ileten bir malzemedir. Ancak sert ve kırılgandır.

İşte tam da bu noktada, ITO’dan çok daha hassas ve iyi bir şekilde elektriği ileten, aynı zamanda da bilinen en esnek malzeme olan grafen işin içine dahil olmaktadır.

Grafen Telefon Ekranı

Grafen Kullanılan Telefon Ekranı

Gün geçtikçe insanoğlu yeni buluşlar yapmakta, yeni buluşlar yeni ihtiyaçları doğurmaktadır. Dokunmatik ekranların bükülebilmesi fikri insanların çoğunu büyülemiştir. Çünkü günlük hayatımızın vazgeçilmez bir unsuru haline gelen bu ekranların istenilen şekle getirilip rahat bir şekilde taşınması fikri kuşkusuz herkesin hoşuna gidecektir. Mevcut ekranların grafen ile imal edilmesi de işte bu noktada bu hayali gerçekleştirecektir.

Diğer Uygulama Alanları

Grafenin özellikleri keşfedildikçe, gelecekte uygulanacağı fikirler de buna paralel olarak artmaktadır. Bahsettiğimiz üzere, bilinen en güçlü malzeme olarak karşımıza çıkan grafen, aynı zamanda elastik bir yapıdadır. Fiziksel özellikleri gereği de kaplama yapıldığında, kaplama yapıldığı malzemeyi korozyona karşı korumaktadır. Çünkü oksijene karşı bir bariyer görevi görmektedir.

Bu gibi özellikleri düşünüldüğünde, ilerleyen yıllarda ucuza imal edildiğinde metaller üzerinde bir koruyucu tabaka olarak kullanılabilecektir. Bu koruyucu tabaka metalleri hem korozyona karşı koruyacak hem de yüksek sertlik ve dayanım ile daha güçlü bir malzeme haline getirecektir. Örnek olarak, gelecekteki araçların uygun parçaları grafen ile kaplanabilir ya da binalarda bile kullanılabilir. Örnekler bu ve bunun gibi çoğaltılabilir.

Telekomünikasyon Sistemleri ve Grafen

Modern iletişim sistemleri, ışın demetleri içerisine bilgi kodlanarak ve dolayısı ile ışık hızı ile iletişim sağlanarak yapılmaktadır. Bilgi kodlama ve okuma işlemlerini fotodedektörler ve modülatörler yapmaktadır. Silikon, günümüze kadar optik chiplerde kullanılsa da, fotodedektörler için başka malzemelerin kullanım ihtiyacı doğmuştur. Yüksek hızlar için tasarlanan fotodedektörler için silikon kullanımı uygun değildir. Çünkü mevcut dalga boylarında geçirgen bir yapıya sahip olup kullanılamaz. Başka malzeme grupları ile birleştirilerek kullanılması da silikonun yapısı gereği bu işlemde pek mümkün olmamakla birlikte, aşırı ısınma sorunu da silikon kullanımını sınırlamaktadır.

İşte tam da bu noktada grafen bilim insanlarının imdadına koşmaktadır. Grafen çok geniş bir bant genişliğinde bulunan ışığı emme özelliğine sahiptir. İletkenliği çok iyi olmakla birlikte, ısınma sorunu da yoktur. Çünkü ısıyı çok hızlı ileterek bünyesinde barındırmaz. Bu tip fotodedektörlerde kullanıldığında ısınma problemi silikon gibi fazla olmadığı için, yüksek hızlarda veri transferine olanak sağlamaktadır.

Konu ile ilgili ayrıntılı bilgi için bu bağlantıyı inceleyebilirsiniz.

Biyo – Mühendislik Alanındaki Gelişmeler

Her ne kadar bazı engellerin aşılması gerekse de, biyo-mühendislik alanında grafen kullanımı önümüzdeki 10 yıl içerisinde çok artacaktır. Önceki paragraflarda bir çok kez bahsettiğimiz;

  • Geniş Yüzey Alanı
  • Çok Yüksek İletkenlik
  • Yüksek Mukavemet
  • Esneklik

özellikleri sayesinde biyosensör uygulamalarında kendini gösterecektir. Ancak bunun için sağlık ve güvenlik alanında bir çok testten geçmesi gerekmektedir.

Bu tip biyosensörlerin vücudumuzda ne işler yapabileceği ile ilgili bir çok test yapılmaktadır. Yapılan testler ve öngörüler neticesinde aşağıda listelenen konularda grafen kullanımının biyosensörlerde işe yarayacağı düşünülmektedir. Bu biyosensörler vücudumuzda entegre bir şekilde duracağı için anlık ölçümler yapılabilecektir.

  • Glikoz Ölçümü
  • Kolesterol Ölçümü
  • Hemoglobin Seviyesi Ölçümü vb.

Grafen ile ilgili ayrıntılı Wikipedia makalesi için bu bağlantıyı inceleyebilirsiniz.

Yorum Yaz