Grafen Nedir?

Grafen, karbon atomlarının tek düzlemde altıgen şeklinde dizildiği iki boyutlu, karbon allotropu  yapıya verilen addır. Kurşun kalem içerisindeki grafit, grafenin üstüste binmesi ile oluşur. Grafen olağanüstü mekanik, ısıl ve elektriksel özellikler gösterdiği için “mucize malzeme” ismiyle anılmaktadır .

 

Elmas ve grafit karbon elementinin ilk çağlardan beri bilinen allotroplarıdır. Elmasın üç boyutlu ağ şeklindeki yapısında elektronlar yapı içinde hareket edemez, böylece elmas çok sert ve elektriksel iletkenliği olmayan bir yapıya sahip olur. Grafitte karbon atomları altılı halkalar halinde, hareketli elektronlara sahip iki boyutlu tabakalı bir yapı meydana getirir. Bu sayede grafit yumuşak ve elektriksel iletkenliğe sahip bir  malzeme özelliği gösterir. 1985’te, Karbon atomlarının 56, 60 ya da 70 C atomu içeren moleküler yapıda ‘Karbon toplar’ oluşturduğu bulunmuş, bu buluş 1996 Nobel Kimya ödülünü almıştır. Mimar Buckminster Fuller’in, çok hafif malzemeler kullanarak inşa ettiği mekanik dayanımı yüksek jeodezik çatılara benzetilen Karbon molekülleri ‘Fulleren’ler olarak adlandırılmıştır. 1991’de Japon araştırmacı Dr.Sumio Iijima fulleren üretmeye çalışırken, ürettiği malzemenin elektron mikroskop incelemesinde yeni bir karbon yapı elde ettiğini belirlemiş, bu yeni malzemeye ‘Karbon Nano Tüp (CNT) adını vermiştir. Karbonun iki yeni allotropu olan fulleren ve CNT’lerin bulunması ‘Nanoteknoloji’ olarak anılan yeni teknoloji çağının başlangıcını oluşturmuştur. Bu allotropların birçok elektronik ve yapısal özelliği grafenin özelliklerinden elde edilmesine rağmen, grafen keşfi gerçekleşen en son yapıdır.

 

2004 yılına gelindiğinde Manchester Üniversitesinden iki araştırmacı, Prof Andre Geim ve Prof Kostya Novoselov grafitten tek bir tabakayı “ selobant” tekniği ile ayırmayı başararak karbon elementinin yeni bir allotropu olan “grafen”i elde etmişler, bu öncü çalışmaları ile 2010 Nobel Fizik Ödülü ile ödüllendirilmişlerdir. Yöntem son derece basittir. Araştırmacılar, çok saf bir grafit kristali alarak masanın üzerine koymuşlar, üzerine yapışkan bir bant yapıştırdıktan sonra, bandı grafit yüzeyinden hızla çekerek bir tabaka grafeni ayırmayı başarmışlar, daha sonra özelliklerini incelemişlerdir.

 

İki boyutlu, tek atom kalınlığında ve kuvvetli bağ yapısı ile eşsiz moleküler bir yapı olan grafen, çok iyi elektriksel, elektrokimyasal, optik, termal ve mekanik özelliklere sahiptir.

 

Grafenin Özellikleri

 

• Yüksek geçirgenliğe sahip grafen tek bir tabaka beyaz ışığın sadece %2.3 ünü absorbe eder. %98 şeffaftır.
• Tek atom kalınlığında olmakla birlikte, sahip olduğu 130 GPa çekme mukavemeti sayesinde çelikten 100 kat daha güçlü bir malzemedir.
• Yüksek termal iletkenliğe sahiptir (5000 W/MK).
• Yüksek sıcaklık direncine sahiptir (-75 ile 2000C arasında grafenin özelliklerinde bir değişiklik gözlenmiyor.).
• Grafen transistörler düşük direnci nedeni ile soğutulma ihtiyacı duymaz.
• Gerilme dayanıklılığı oldukça yüksektir. İnce bir kristalize çeliğe kıyasla parçalanması 6-7 kat daha zordur.
• Grafen şu anda dünyanın en iyi elektrik iletkenlerinden biridir. Grafendeki karbon atomlarının atomik düzenlemesi, elektronların oldukça yüksek hızda hareket etmesini sağlar ve bu da diğer tipik iletkenlerde kaybolan enerjiden tasarruf edilmesine sebep olur.
• Grafen aynı zamanda sıra dışı bağ yapısı sayesinde elektromanyetik radyasyon ile etkileşime girebilen bir malzemedir.
• Saf grafen kimyasal olarak istikrarlıdır; başka atomlarla reaksiyona girmemektedir. Ancak grafen başka atom ve molekülleri özümseyebilmektedir.
• Grafen ayrıca yüksek yüzey alanına sahiptir: 1 gramı 2630 metrekare alanı kaplayabilmektedir. 3 gramı ile bir futbol sahasını kaplamak mümkündür.

Bu önemli özellikleri ile grafenin, termal ve elektriksel iletkenlikte, nanokompozitleri güçlendirmede, saydam iletken filmlerde, ultra ince karbon filmlerde, elektronik devrelerde, sensörlerde, ilaç ve gen salınım araçlarında, ağır metalleri ayrıştırmada, nanoelektronikte, ekranlar için saydam ve esnek elektrotlarda, enerji depolama cihazlarında uygulama alanları bulunmaktadır.

Grafen Sentez Teknikleri

• Kimyasal eksfoliyasyon
• Mikromekanik olarak grafit tabakasından ayrılma (çok sayıda tabaka)
• Hidrokarbonların buhar fazı çöktürmesiyle epitaksiyal büyüme (UHV)
• SiC ile termal bozulma (rxn kontrolü > 1100 °C)
• Metal substratı üzerinde C çöktürme (CVD)
• Hummer yöntemi (Kimyasal buhar biriktirme)
• Grafen oksitin indirgenmesi

 

 

 

Grafen’in Kullanım Alanlarından Birkaçı

• Grafen kızılötesi veya terahertz aralıklarında ışık tespitinde yarı iletken malzemelere göre daha kullanışlıdır. Bu özellikler grafeni optik, fotonik, optoelektronik, elektro optik ve fotovoltik enerji  alanlarında değerli bir malzeme haline getirmektedir.
• Grafen piller, daha uzun ömürlü ve yüksek kapasiteli pil ömrü sunuyor.
• Fiziksel yapısı sayesinde grafenden oldukça esnek ekranlar üretilebiliyor.
• Uzmanlar grafen yüzeyi sayesinde elektronların ışık bariyerini kırıp ışık yaratabildiğini keşfettiler. Bu da grafenden ışık üretilebileceği teorisini doğurdu.
• Su ve oksijen transferini engelleyen grafenin gıda ambalajlarında da kullanılması mümkün görünüyor.
• Kızılötesi, ultraviyole ve görünür ışıklara olan yüksek duyarlılığı ile grafenin fotoğrafçılıkta da kullanılması mümkün.
• Güçlü ve hafif olması grafeni bisiklet, araba ve hatta uçaklar için mükemmel bir malzeme konumuna getiriyor.
• Grafenin yüksek yapışma özelliği sayesinde anti-bakteriyel kaplamalar, izolasyon sağlayan boyalar, pas önleyici kaplamalar, morötesi ışın önleyicileri üretilebilmektedir. Grafen kaplamalar hidrofobik, iletken ve kimyasal olarak dirençli olabilmektedir.