Grafen Nedir? Özellikleri Nelerdir? Nerelerde Kullanılır?

Evrende bilinen en güçlü malzeme, yüksek iletkenliğe sahip ve aynı zamanda esnek olabilen grafen ilgilileri üzerine çekmeye devam ediyor. Elektriği direnç göstermeden ileten mucize yapıtaşı olan bu form, önümüzdeki yıllarda hemen hemen her alanda karşımıza çıkacak. Bu içeriğimizde grafen nedir? Sorusunun yanıtına hep birlikte yakından bakıyoruz.

Grafen Nedir?

Grafen, periyodik tablodaki en ilginç elementlerden biri karbon atomunun bal peteğine benzer örgülü yapılarından birine verilen isimdir. Karbonun grafit, elmas gibi gündelik hayatta çok iyi bilinen allotroplarının yanında, nanotüp ve fulleren gibi yeni sentezlenen formları da vardır.

Grafitin genel olarak karbon bağları zayıf, elmasın karbon bağları ise çok güçlüdür. Örneğin elmas ve grafit karbon biçimleridir, ancak çok farklı doğaları vardır. Bu nedenle elmas son derece dayanıklı iken grafit oldukça kırılgandır. Aynı atomlara sahiplerdir ancak farklı diziliş özellikleri sergiledikleri için malzemeye farklı özellikler sağlamaktadır.

Bu dizilişle beraber elmaslar çok güçlüyken grafit son derece kırılgandır. Bu formu en basit şekilde anlatmak gerekirse, süper ince bir grafit tabakasıdır. Gündelik hayatta çok iyi bilinen kurşun kalem grafite örnektir ki parmaklarımız kalem tutmaya başladığı günden itibaren aslında hayatımızda.

Grafenin Keşfi Ve Nobel Fizik Ödülü

Grafitin tek katmanlı hâli olan grafen malzemesinin sentezlenmesi 2004 yılına kadar gerçekleşmemiştir. 2004 yılında ise şaşırtıcı bir şekilde bilim adamları iki boyutlu grafen kristallerini sentezlemeyi başardılar. Manchester Üniversitesi’nden Andre Geim, Konstantin Novoselov ve proje arkadaşları sıradan bir yapışkan olan selobantı grafit üzerine tekrar tekrar yapıştırıp kaldırarak tekil grafen katmanını ayırmayı başardılar.

İzole ettikleri katmanı ise basit bir optik mikroskop ile gözlemlediler. Bu gözlemle birlikte bilim dünyasında grafene olan ilgi ve merak arttı. Rus kökenli bilim insanları Geim ve Novoselov bu keşiflerinden dolayı 2010 Nobel Fizik Ödülü’ne aday gösterildi ve ödülü almayı başardılar. 36 yaşında olan Konstantin Novoselov Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülen en genç kişi olmuştur.

Grafen Elde Edebilmek İçin Kullanılan Yöntemler:

• Kimyasal Ayrıştırma Yöntemi
• Silisyum-Karbon Yöntemi
• Katman Ayırma Yöntemi
• Epitaksiyel Büyütme

Grafenin sentezlenebilmesi günümüze yakın bir tarihte gerçekleşse de grafenin elektronik özelliklerinin araştırılmaya başlanması 1946’lara kadar gitmektedir. Bu form üzerine ilk çalışmalardan birini P. R. Wallace yapmıştır. Fakat Wallace grafen kelimesi kullanmayıp ‘tek katmanlı yapı’ adını kullanarak grafenin enerji-bant yapısını incelemiştir. Tamamen şeffaf olan madde 2 katmalı olmasına rağmen gözle görülebilir ve elle tutulabilir.

Peki Grafen Neden Bu Kadar Önemlidir?

Kimyasal formüllere girmeden grafenin önemini anlatmak gerekirse şunları söyleyebiliriz. Grafen sadece bir atom kalınlığındadır ve dünyada keşfedilen ilk iki boyutlu malzeme olma özelliğine sahiptir. Fakat evrende bilinen en güçlü malzemelerden biridir. Çelikten yüz kat daha güçlüdür.

Bu kadar ince olmasına karşı böyle güçlü olması ilgileri üzerine çekmeye yetmiştir. Sıradan metaller, elektron saçılması sebebiyle enerji kaybına ve ısı ortaya çıkmasına sebep olur. Grafen ise yüksek iletkenlik özelliğine sahiptir. Yani maddemiz yüksek iletkenlik, esneklik, şeffaflık ve çoğu sıvı ve gaza karşı geçirimsiz olma özelliklerine sahiptir.

Grafen Esnek Elektronik

Güçlü iletkenliğinin yanında oldukça şeffaf ve esnek bir yapıya sahip olan grafen taşınabilir elektronik araçlarda kullanılmasıyla da ön plana çıkıyor. Akıllı cep telefonlarında ve tabletlerde, bu madde kullanılarak çok daha sağlam ve katlanabilir ürünler üretmek kolaylaşacak. Esnekliği sayesinde yapay kol, bacak vb. yerlerde kullanılarak rahatça şekil alacak, bükülecek tasarımlar yapılabilir.

Grafenden Yararlanılacak Alanlar:

• Güneş hücreleri başta olmak üzere ekranlar, sensörler, batarya ve transistörler, kaplama malzemesi olarak ya da çeşitli kaplama teknolojilerinde performansı arttıracak ısı kaybını engelleyecek bir katkı maddesi olarak kullanımında grafen büyük ilgi görecektir.
• İyi bir iletken olduğundan ve elektriği tutmakta sağlam olduğundan pil teknolojilerinde büyük bir devrim yaşatacağı düşünülmektedir. Şarj ömrünü uzatacağı düşünülmektedir.
• Hidrojen depolamada da grafen yapılı malzemelerin kullanılmasıyla hidrojenin verimli şekilde depolanarak elektrik enerjisi gereken yerlerde kullanılması için araştırma ve çalışmalar devam etmektedir.
• İletken grafen kaplamalar, cep telefonlarında, tabletlerde, bilgisayarlarda, televizyon ekranlarında ve diğer tüm ekranlarda da kullanım alanı bulacaktır.
• Grafen kaplamalar gemi gövdelerinden tutun tencerede, tavada, aynada, pencerede ve tekstilde bile kullanılabilecek.

Kanser Tedavisinde Kullanımı

Grafen, kanser hastalığını erken evrelerinde kanser hücreleri tespit edebilir. Kanser hücrelerinin ölümü olan otofajiyi sağlayarak birçok kanser türünde tümör büyümelerini durdurabilir. Kemoterapi ilaçlarını tümörlere taşımak için grafen bazlı taşıyıcılarla kullanılarak kanser hücrelerini daha iyi hedefler. İlaç sektöründe sadece kanser tedavisinde değil iltihap önleyici ilaçlarda grafen taşıyıcılar ile verilmiş ve ileriye dönük sevindirici gelişmeler yaşanmıştır.

İletişimde Kullanımı

İşaret dilini metne ve konuşma diline çevirebilen giyilebilir biyo-entegre bir cihaz geliştirildi. Bu cihazda grafenin yüksek iletkenliğinden ve esnekliğinden yararlanıldı. Günümüzde rahatça bükülebilen ve esneyen bilen giysiler de bu madde sayesinde gelişme göstermeye başlıyor.

Biyosensörlerde Kullanımı

Tek bir molekül, grafen biyosensörler tarafından tespit edilebilir. Grafen ile yapılmış tıbbi sensörler bazı tıbbi şirketler tarafından pazara sunulmuştur.

Dokunmatik Ekranlarda Kullanımı

Grafen yapılı ince filmlerin düşük direnç ve yüksek saydamlığa sahip olmasından performans yönünden diğer malzemelerden daha kullanışlıdır. Grafenin yoğunluğu, bakırın yoğunluğundan binlerce kat daha azdır ve silikona göre daha çok hareket kabiliyeti sunar. Bu sayede grafenin içerisindeki elektronlar herhangi bir dirençle karşılaşmazlar. Birçok telefon markası artık katlanabilen telefon modelleri üretmeye başlamışlardır.

Bitki Koruma ve Gıda Güvenliğinde Kullanımı

Grafen ile mikro boyutlarda sensörler üreterek bitkiler için zararlı moleküllerin belirlenerek bitkilerin korunmasında kullanılabilir. Çiftçiler bu sayede zararlı maddeleri tespit ederek en iyi ürünleri yetiştirebilecektir.

Askeri Malzemelerde Kullanımı

Silah sanayinde de grafenin kullanımına yönelik araştırmalar yapılmaktadır. Sertliği, iletkenliği sayesinde zırhlı araçlarda ve insan bedenini korumaya yönelik eşyalarda kullanımına yönelik araştırmalar ve bazı prototipler üretilmeye başlanmıştır. Ultimate Zırh olarak geçen bu tasarımların yapımında metallerin aksine grafen malzemesi seçiliyor. Çelikten daha hafif ve 200 kat daha güçlü olan bu malzeme ile bu RoboCop zırhları üretilmesi planlanıyor.

Kasklarda Kullanımı

Grafenin evrendeki en güçlü maddelerden biri olduğu kanıtlanmıştır. Maddenin bu özelliği, insan yaşamını da korumak için kask ve kurşun geçirmez yeleklerde kullanılmaktadır. Hafif olması, güçlü olması ve esnek olması kasklarda ve yeleklerde kullanılmaktadır. Motosiklet kasklarda da kullanılmaktadır.

Peki Bu Kadar Alanda Uygulanacak İken Hâlâ Neden Sınırlı Sayıda Üründe ve Pazarda Kullanılmakta?

Söz konusu madde böyle fazlasıyla büyük bir ticari yelpazeye sahip ve geniş kullanım alanı olmasına rağmen ticari pazarda her alanda kullanılmamasının nedeni grafenin üretimi için uygun maliyetli ve pratik bir üretimin henüz gerçekleştirilmemiş olmasıdır. Grafen günümüzde çok yüksek maliyetler ile çok düşük miktarlarda üretilebilmektedir.

Yapılan araştırma ve çalışmalarla bu mucizevi yapı taşının üretiminde kesinlikle büyük aşamalar katedileceği tahmin ediliyor. Küçük miktarlarda üretilen grafen için Samsung gibi firmalarında dahil olduğu birçok şirket bu malzemeyi daha verimli ve ucuza üretme yollarını araştırıyor.

Türkiye’de Üretim

Türkiye’de bu malzemenin verimli ve ucuza üretilmesine yönelik çalışmalar yapmaktadır. Özellikle silah sanayisinde yapılan bu araştırmalarla birlikte gelişen grafen kullanım alanları hayatımızda da artış gösterecektir.

This post is also available in: English