GRAFEN: Çelikten 200 Kat Güçlü, Kâğıttan 1000 Kat Hafif
2004 yılında Manchester
Üniversitesi’ndeki iki bilim adamı son derece basit bir deneyle dünyayı
değiştirecek sonuçlara ulaştı. Araştırmacı Andre Geim ve Konstantin Novoselov
bir gün kurşun kalemin ucuyla yani “Grafit” ile oyalanıyorlardı. Grafit üst
üste yığılmış, istiflenmiş süper ince saf karbon tabakalardan oluşmaktadır.
Geim ve Novoselov tek bir karbon katmanını ayırıp ayıramayacaklarını merak
ettiler ve bu katman sadece bir atom kalınlığında olacaktı. Bu iş için kolları
sıvadılar ve hemen bir koli bandı buldular. Evet, koli bandı, evimizde bir çekmecede
duran görev adamı… Geim, BBC’ye verdiği bir röportajda kullandıkları yöntemi
şöyle anlatıyor: “Öncelikle koli bandını grafit kısmın üstüne yapıştırdık. Bu
işlemden sonra grafitin koli bandının üstüne pul pul yapıştığını gördük.
Ardından koli bandını birbirinin üstüne gelecek şekilde yapışkan tarafını ikiye
katladık ve bu işlemi 10-20 kere tekrarladık. Pullar her tekrarımızda biraz
daha inceldi. Devamında ise çok ince pulların bant üzerinde yapıştığını gördük.
En sonunda bandı açtık ve çözümümüz başarıyla sonuçlandı.”
Koli bandı yöntemi
başarılı! Tek katman karbon ile Geim ve Novoselov yepyeni ve büyük ses
getirecek “Grafen” adı verilen dünyadaki en sağlam, en hafif ve en iletken
maddeyi keşfetmiş oldular. 2010 yılında Geim ve Novoselov, grafen keşifleriyle
fizik alanında nobel ödülünü paylaştılar. Dünyanın dört bir yanındaki
araştırmacılar bu olağanüstü ve süper maddenin kullanım yollarını büyük bir
heyecanla dünyamıza sundular. Bu yollar ile daha güçlü ve uzun ömürlü
bataryalar, daha hızlı mikroçipler, esnek devre kartları ve nakledilebilir
biyosensörler üretilebileceği ortaya konuldu. 2010 yılından bugüne gelen 10
sene içerisinde grafen bu abartılı vaatleri yerine getiremedi. Ancak bu madde
üzerine çalışan uzmanlar birkaç sene sonra akıllı telefonlarda, elektrikli
arabalarda ve sensörlerde grafen tabanlı teknolojiyi görebileceğimizi söylüyor.
PEKİ GRAFEN NEDEN BİR SÜPERMADDE?
Sadece bir atom kalınlığında tek grafen tabakası bu özellikleri barındırır:
- Grafen ağırlık olarak
çelikten 200 kat daha güçlüdür.
- Kâğıttan 1000 kat hafiftir.
- %98 oranında şeffaftır.
- Oda sıcaklığında elektriği en iyi ileten maddedir.
- Herhangi bir dalga boyuna sahip ışığı akıma çevirebilir.
- Sonuncu ve bir o kadar da önemli, Grafen karbondan üretilmektedir, karbon evrende en çok bulunan 4. elementtir, tükenme ihtimali yoktur.
Grafen süper güçlerini
yapısından alır. Eğer mikroskopla inceleyecek olursak, atomik boyutta bir bal
peteği şekli görürüz. Tek tek baktığımızda karbon atomları adeta bahçe telini
andıran altıgen şeklinde dizilmiştir. Bir grafen tabakasındaki her karbon atomu
diğer üç karbon atomuna kovalent bağlı olarak bağlanır ve bu da maddeye
inanılmaz bir güç verir.
Peki grafen neden
elektriği bu kadar iyi iletiyor? Bu sorunun cevabı da niçin güçlüdür sorusunun
cevabıdır. Her karbon atomu en dıştaki katmanında 4 adet elektron bulundurur.
Ancak bu dört adet elektronun üçü diğer üç karbon atomuyla bağ yapar. Kalan
elektrona “Pi Elektron” adı verilir ve bu elektron uzayda üç yöne gitmekte
özgürdür. Bu elektrik yüklerinin neredeyse hiç direnç olmadan grafen tabakası
boyunca iletilmesine olanak sağlar. Bu yüzden grafen, oda sıcaklığında
elektriği en hızlı ileten maddedir.
SİHİRLİ AÇI
Yeni
bir keşifle grafenin bu övünç listesine yeni bir süper güç eklenebilir. Massachusetts Üniversitesi’nden
bir ekip çift katmanlı grafen (istiflenmiş iki adet tek atomlu grafen) ile bir
deney yaparlarken grafenin yeni, neredeyse sihirli bir özelliğine rastladılar.
Katmanlar birbiriyle oluşan çizginin dışına doğru hafifçe döndürüldüğünde (tam
olarak 1.1 derecelik bir yer değiştirme) grafen bir süper iletken haline gelir.
Süperiletkenler, kesinlikle dirençsiz ve sıfır ısı ile elektrik ileten en nadir
malzeme sınıfıdır.
Grafenin
“Sihirli Açı” özelliğinin keşfi bilim camiasında şok etkisi yarattı. Deney çok
düşük sıcaklıklarda (0 Kelvin, -273,15 Santigrad) gerçekleşmesine rağmen grafen
diğer süperiletken elementlerle birleştirilerek oda sıcaklığında süperiletkenliğe
her zamankinden yakın olması mümküm oldu. Böyle bir başarı, elektronik
cihazlardan, elektrikli arabalara ve tüm elektrik şebekelerine kadar her şeyin
enerji verimliliğini radikal bir şekilde arttıracaktır.
GRAFEN TEKNOLOJİYİ NASIL DEĞİŞTİREBİLİR?
Süperiletkenlik
hala onlarca yıl uzakta fakat Cambridge Üniversitesi Nanoteknoloji Profesörü ve
Grafen Merkezi Direktörü Andrea Ferrari, devrim niteliğindeki grafen temelli
ürünlerin piyasaya çok daha erken çıktığını söylüyor. “2024 yılı itibarıyla
çeşitli grafen temelli ürünler piyasada olacak, buna bataryalar, fotonikler,
gece görüş kameraları ve daha fazlası da dahil” dedi.
Yıllardır
kullanıcılar büyük bir hevesle grafen temelli bataryaların çıkmasını bekliyor.
Şu an cihazlarımızda bulunan Li-Ion piller nispeten yavaştır, elektrolitlerini
çabuk kaybeder ve belli bir tam dolum-bitim döngüsünden sonra yanar. Bu
yanmanın nedeni ise lityum iyon pillere güç veren elektrokimyasal sürecin fazla
ısı üretmesidir.
Ancak
grafen dünyanın en verimli elektrik iletkeni olduğu için, elektriği şarj
ederken veya boşaltırken çok daha az ısı üretir. Grafen bazlı piller, lityum
iyon pillerden beş kat daha hızlı şarj, üç kat daha uzun pil ömrü ve
değiştirilmeye gerek kalmadan beş kat daha fazla döngü vaat ediyor.
Samsung ve
Huawei gibi elektronik şirketleri grafen temelli bataryaya sahip akıllı telefon
ve diğer ürünleri en erken 2021’de piyasaya sürmeyi planlıyor. Elektrikli
araçlar için grafen kullanımında ise durum biraz farklı. Grafen bataryaların
üretilmesi biraz zaman alacaktır çünkü bütün elektrikli araba endüstrisi lityum
iyon pil teknolojisi üzerine kuruldu ve değişmesi kolay olmayacak, zaman
alacak…
Saf grafen
ve grafen bazlı çipler üreten, bunları akademik araştırmacılara ve AR-GE
departmanlarına satan bir şirket olan Graphanea CEO’su Jesus de la Fuente “Pil
endüstrisi son derece muhafazakar. Her beş ila on yılda bir pillerin bileşimini
birkaç kez değiştirebilir ve bu da bu sektöre yeni ürünler sunmayı çok
zorlaştırır." diyor.
Piyasada,
Real Graphene adlı bir şirketin kablolu ve kablosuz şarj cihazları da dahil
olmak üzere birkaç grafen bazlı pilleri vardır. Ancak bunlar buzdağının görünen
kısmı diyor Andrea Ferrari, ki Ferrari yukarda belirttiğimiz rollerinin
dışında, Avrupa Birliği tarafından grafen teknolojisinin gelişimini
hızlandırmak için 1 milyar euroluk yatırımla oluşturulan. Grafen Amiral Gemisi
(Graphene Flagship) projesinin bilim ve teknoloji sorumlusudur. Flagship ile
araştırma ortakları, %20 kapasite ve %15 enerji ile günümüzün en iyi yüksek
enerjili hücrelerini geride bırakan grafen piller üretiyorlar.
GRAFENİN BAŞKA ALANLARDA KULLANIMI
Grafen
pazara piller vasıtasıyla girse de araştırmacılar bununla yetinmiyor, bu
mucizevi malzeme için başka kullanım alanları da keşfetmeye devam ediyor.
Biyosensörler bu alanların şu anda en önemlisi dersek yanılmış veya abartmış
olmayız. İnsülin seviyesi veya kan basıncı gibi gerçek zamanlı sağlık
verilerini izlemek için kan dolaşımına enjekte edilebilecek inanılmaz derecede
ince ve esnek bir çip hayal edin ya da yaklaşan bir epilepsi nöbetini tespit
etmek ve hatta önlemek için beyne sinyal gönderen bir grafen arayüz.
Fotonikler
de aynı zamanda grafen içeren başka bir alan. Grafeni ışığa duyarlı çiplere,
kameralara ve diğer sensörlere entegre etmek, görünür ve görünmez spektrumdaki
en zayıf ışık dalgalarına bile hassasiyeti büyük ölçüde artırabilir.
Filtrasyon
da grafenin bir başka umut vadeden uygulamasıdır. Grafen polimerlerle yapılan
basit su arıtma filtreleri, içme suyundaki organik ve inorganik kirletici
maddelere bağlanabilir ve arındırılabilir, kirlilik oranı ölçülebilir. Graphene
Flagship'teki araştırmacılar ayrıca, tarımsal ve diğer kullanımlar için tuzun %60'ından
fazlasını deniz suyundan çıkarabilen grafen diyotlara dayalı tuzdan arındırma
teknolojileri üretti.
Elbette,
tüm bu gelişmeler çok uzun zaman alacak, malzeme hakkında yeni keşifler ortaya
çıkacak. Fakat Graphene Flagship’teki Ferrari’nin de dediği gibi: “"Grafen
derken gerçekten keşfedilen çok sayıda seçenekten bahsediyoruz. İşler doğru
yönde ilerliyor..."
