MUCİZE MALZEME – GRAFEN

Evinizde, ofisinizdeki çekmecelerde, dolaplarda uçları kırık bir halde terk edilmiş kurşun kalemlerine dikkatlice bakın; bir parça selobandın yardımı ile Nobel Fizik ödülüne layık görülebilecek bir bilimsel araştırmayı başlatabilirsiniz. İnanmadınız mı? 2004 yılında Manchester Üniversitesi’nden Andre Geim ve Konstantin Novoselov’un yaptığı tam da buydu, bilim dünyasını heyecanlandıran grafeni elde ettiklerinde.

Grafen iki boyutlu, bir atom kalınlığında, mekanik, elektrik, termal ve optik özellikleri ile bilimde çığır açan yeni keşfedilmiş bir karbon allotropu*. Bilim dünyasında heyecan yaratmış olsa da aslında çok nadir bulunan bir malzeme değil grafen. Kurşun kalemlerin içindeki grafit (“kurşun”) grafen tabakalarının üst üste binmesinden oluşuyor. Bir grafen tabakası küresel halde yuvarlandığında yine zamanında bilim dünyasında yankı uyandıran fulleren, silindir şekli verildiğinde ise karbon nanotüp oluşturuyor.

Karbon atomlarının iki boyutlu altıgen bir yapıda dizilmiş bu formu, doğada iki boyutlu tek malzeme örneğini oluşturmasının yanı sıra, grafene olağanüstü özelliklerini de kazandırıyor. Elektronlar bu tek atom kalınlığındaki karbon tabakası içerisinde sanki hiç kütleleri yokmuşçasına hızlı hareket ediyorlar. Dijital teknolojinin süper starı silikon silisyum, grafen ile karşılaştırıldığında bir kaplumbağa gibi kalıyor. Elektronların silikon silisyum içindeki hızları grafen içindeki hızlarına göre 100 kez daha yavaş.

Grafenin elektrik özellikleri bu sıra dışı malzemenin tek olağanüstü özelliği değil. Bilinen en ince malzeme olmasına rağmen aynı zamanda en güçlü malzeme. Aşağıdaki grafiklerde göreceğiniz gibi çelikten 100 kat daha güçlü. Isıyı en iyi ilettiği düşünülen diğer bir karbon allotropu olan elmas, grafenin keşfi ile tahtından inmiş durumda. Grafen şu anda bilinen en iyi ısı iletkeni.  Atomları çok sıkı bir şekilde dizilmiş olan grafen içerisinden en küçük atom (helyum atomu) dahi geçemiyor. Buna rağmen grafen kolayca esneyebiliyor ve değişik formlardaki bir çok  malzemenin yüzeyine kolayca kaplanabiliyor.

Elektronik yarıi letken transistörleri “açık – kapalı” ya da dijital anlamı ile “0 – 1 “ konumlarına getirmek  için gerekli olan bir özellik olan bant-aralığı** grafende yok. Ancak bu özelliğin eksikliği grafeni optik alanında özel bir malzeme haline getiriyor. Grafen ışık tayfının bütün dalga boylarındaki (morötesinden kızılötesine) ışıkları aynı derecede soğuruyor.

Grafenin bu sıra dışı özellikleri bilim dünyasında bir araştırma çılgınlığına yol açmış durumda. Grafeni selobant ile ayırıp içinden elektronları geçiren araştırmalarıyla 2010 Nobel Fizik ödülüne layık görülen Geim ve Novoselov’un grafen üzerine yazdıkları iki makaleye sırası ile 4300 ve 3000’den fazla atıf yapılmış ve bu iki makale şimdiden son on yılın en çok atıf yapılan 20 makalesi arasına girmiş. Nitekim Thomson Reuters tarafından Haziran 2011’de hazırlanan “Küresel Malzeme Bilimi ve Teknolojisi Araştırmaları Raporu” grafenin en çok araştırılan malzemelerden biri olduğunu gösteriyor.  Sadece fizikçilerin ve kimyacıların değil bilimin farklı dallarında çalışan araştırmacıların grafene gösterdiği ilgiyi Thomson Reuters’in raporundan görmek mümkün (Tablo 1).

Elbette bu kadar araştırma ve çalışma grafenin gerçek hayattaki uygulama alanlarını ve üretim metotlarını geliştirmek için yapılıyor. Grafenin şu an için yüksek kalitelerde seri üretimi oldukça zor; bu nedenle gerçek hayattaki uygulamaları henüz emekleme aşamasında. Ancak bu süper malzemenin potansiyel uygulama alanları oldukça geniş. Bu malzemenin uygulamada ne kadar başarılı olacağını ya da en sık kullanıldığı alanın ne olacağını bizlere zaman gösterecek olsa da potansiyel uygulamalara kısaca bir göz atmakta fayda var.

Elektronların içerisinde kolayca hareket edebiliyor olması grafeni entegre devreler için ciddi bir alternatif malzeme haline getiriyor.   IBM araştırmacıları 2011 yılında ilk grafen içeren transistörü üretmeyi başardılar. Grafenin kullanımı ile süper hızlı bilgisayarlar üretmek mümkün olabilecek.

Elektrik özelliklerine ek olarak en küçük atomu bile geçirmeyen iki boyutlu sık kafes yapısı grafenin teorik olarak mükemmel bir sensör olmasını sağlıyor. Bütün hacminin kendisini çevreleyen ortama açık olması, yüzeyine tutunan molekülleri hızlıca belirlememize olanak tanıyor. Bir takım teknolojik problemler çözülebilir ise grafenin kullanıldığı sensörler ile tek bir gaz atomunu tespit eden araçlar yapmak çok da olanaksız gözükmüyor.

Grafen vücut içerisinde bulunan iyonik sıvılarda yapısı bozulmadan kalabildiğinden dolayı biyolojik uygulamalar için de umut vaat eden bir malzeme. Biyonik kulaklar, biyonik gözler grafen teknolojilerinin geliştirilmesi ile mümkün olabilecek. Henüz biyoelektronik ve biyomalzeme olarak kullanımı için yapılan araştırmalar çok başlarda olsa da araştırmacılar gelecek için oldukça umutlu.

Bunlar grafenin yüksek teknoloji olası uygulamalarından bir kaç tanesi. Fotovoltaik hücreler, katlanabilir elektronik araçlar, optik cihazlar ve araştırmacıların hayal güçlerinin el verdiği bir çok uygulama bu malzemenin ümit vaat ettiği alanlar. Sekiz yıl önce varlığından bile haberdar olunmayan grafen belki de bugün “mucize” diye adlandıracağımız ama gelecekte yaşamımızın ayrılmaz parçası olacak bir çok bilimsel ve teknolojik gelişmenin öncüsü olabilir; bu mucize malzemenin insanlığa neler kazandıracağını hep beraber göreceğiz.

* allotropi: Bazı elementlerin, kristal ya da molekül yapıları birbirinden farklı biçimler hâlinde bulunması (allotropi) ve bu biçimlerden her biri (allotrop).
** bant aralığı: Katılarda hiç bir elektron durumunun var olamayacağı enerji aralığına bant aralığı adı verilir. Temelde çekirdek etrafında dönen en dışarıdaki elektronu yörüngesinden kurtaracak ve bu elektronu bir elektrik yükü taşıyıcısı haline getirecek enerji seviyesidir.

Kaynaklar:

1.    SuperCarbon, NeilSavage, Nature, Mart 2012 V:483
2.    TheBionicMaterial, Charles Schmidt, Nature,Mart 2012 V:483
3.    Beyond StickyTape, Richard Van Noorden, Nature,Mart 2012 V:483
4.    Graphene based materials: Past, present and future, V. Singh et al., Progress in Materials Science 2012, 56 1178–1271
5.    Global Research Report Materials Science And Technology, Jonathan Adams ve David Pendlebury, Haziran 2011

Bahadır Ürkmez

Boğaziçi Makina Mühendisliği mezunu, yalansavar.org’da yazar. Hayatını çimento ve mineral sektörüne danışmanlık, proje hizmetleri vererek kazanıyor. Evli ve 2 çocuk babası.