Grafen Nedir? Ne Zaman Kullanışlı Hâle Gelecek?

Günümüzde süper malzeme kelimesi sıkça kullanılıyor. Seramik süper malzemeler, aerogel süper malzemeler, elastomerik süper malzemeler. Ancak bir süper malzeme hepsinin gölgesinde kalıyor, keşfedenlerine Nobel Ödülü bile kazandırdı. İşleme, enerji depolama ve hatta uzay keşfini devrimleştirebilecek potansiyele sahip ama henüz bunların hiçbirini gerçekleştiremedi. Bu malzemenin adı grafen ve modern malzeme bilimi patlamasının büyükbabası sayılır.

Grafen, tüm zamanların en iyi buluşlarından biri olma potansiyeline sahip. Peki, grafen nedir, ondan yapılan karbon nanotüpler nelerdir ve bu büyük vaatler ne zaman gerçekleşecek?

Grafen Neden Bu Kadar Çekici?

Bilim insanları yaklaşık yüz yıldır grafenden bahsediyor, gerçi her zaman bu isimle değil. Fikir oldukça basit: ya bir elması alıp onu sadece bir atom kalınlığında incecik dilimler halinde kesebilseydik? Bu onu tamamen karbondan yapılmış ama elmasın aksine esnek, sözde “iki boyutlu” bir madde yapardı.

Grafen, bir kristal tabakasından bekleyeceğiniz inanılmaz fiziksel özelliklere sahip olmasının yanı sıra (ki birim ağırlık başına şimdiye kadar yaratılmış en güçlü malzeme olarak sıkça anılır) aynı zamanda inanılmaz derecede yüksek bir elektrik iletkenliğine sahiptir. Atomik olarak küçük olması, örneğin bir işlemcide transistörlerin çok daha sıkı bir şekilde paketlenmesine olanak tanıyabilir ve birçok elektronik endüstrisinin büyük adımlar atmasını sağlayabilir.

Araştırmalar, elması dilimlemenin çok zor olduğunu gösterse de, atomik olarak ince karbon iplikçiklerinin küçük parçalar halinde üretilmesinin aslında oldukça kolay olduğunu ortaya koydu. Hatta çocuklar saf karbon grafit kalemin ucunu kağıda sürttüğünde bile mikroskobik grafen parçacıkları oluşuyor. Ancak bazı cesur ilk denemelere rağmen, varsayımsal olarak kullanışlı olabilecek kadar büyük ve hızlı bir şekilde grafen parçaları üretmeyi başarmak için 2004 yılına kadar beklemek zorunda kaldık.

Kullanılan teknik, grafen iplikçiklerini saf grafit örneğinden “çekmeye” dayanıyordu. Sözde Scotch Bant yöntemi denen bu yöntemde, şeffaf yapışkan bant toz haline getirilmiş saf karbonun üzerine yapıştırılıp çıkarılıyor. Bant her çıkarıldığında, iplikleri birkaç atom daha dışarı çekiyor. Bu İngiliz ekip daha sonra, ödülü aldıkları sırada malzeme araştırma laboratuvarları dışında hiçbir işe yaramayan bir maddeyi nasıl ekonomik olarak üreteceklerini buldukları için Nobel Ödülü’ne layık görüldü. Yine de heyecan devam ediyordu. Potansiyel o kadar büyük ki, sadece olasılıklar bile bugünün somut icatlarını gölgede bırakıyor.

Grafen kelimesi bazen “karbon nanotüpler” veya CNT’ler terimiyle eşanlamlı olarak kullanılıyor. CNT’ler tam olarak adından anlaşılacağı gibi: nano ölçekli bir tüpe sarılmış grafen tabakaları. Tüpün duvarları tek bir atom kalınlığında ancak tüpün tamamı normal, doğrusal grafenden daha kararlı ve diğer maddelerle daha az reaktif. Ancak üretiminde kendine has zorlukları var ve bazı olumsuz sağlık etkileri bile olabilir.

Fiziksel Mühendislik

Basit görünebilir ancak grafenin inanılmaz fiziksel gücü en heyecan verici özelliklerinden biri. Şimdiye kadar üretilen her grafen telinde bu özellikleri gördük. Asıl mesele, bunları makro ölçekli levhalarda, kablolarda ve daha fazlasında bir araya getirmenin bir yolunu bulmak.

Eğer bu kabloları üretebilirsek, ağırlık taşıma kapasiteleri inanılmaz olanaklar sunacak. Örgülü CNT kabloları için sıkça bahsedilen uygulamlardan biri de uzay asansörü. Dünya yüzeyinden alçak Dünya yörüngesine kadar uzanan bir şeridin bağlantı kablosu olarak kullanılması. Katıldığımız konferanslarda, bilim insanlarının bizden modern bir uçağın onda biri ağırlığında olup da dayanıklılığını aşan bir grafen bazlı uçak gövdesi hayal etmemizi istediğini hatırlıyoruz. Kaldı ki kanatlarında grafen katkılı kaplamalar olan küçük ölçekli uçaklar da var.

Biyoloji ve Tıp

Karbon nanotüplerin potansiyel olarak en yararlı ve aynı zamanda en tehlikeli yönlerinden biri, hücre duvarlarına nüfuz edebilecek kadar ince olmaları. Araştırmacıların isteğine göre tedavi edici moleküller yerleştirebilirler ya da DNA ile oynayıp kanser de dahil olmak üzere sorunlara yol açabilirler. Bu çelişkili durum, “Karbon Nanotüplerin Kanser Tedavisi ve Kanserojenezdeki Paradoksal Rolleri” başlıklı bir inceleme makalesinde özetleniyor.

Grafenin hücre ölçeğindeki doğası, onu tıp araştırmacıları için doğal olarak heyecan verici kılıyor. Kanser tespiti ve beyin aktivitesini okuyup raporlamak için beyin implantları, devam eden önemli araştırma alanları arasında. Aslında, CNT’lerin tehlikeli doğası verimli bir şekilde de kullanılabilir; ultra ince, antibiyotikli grafen su filtreleri, elektronik olmayan yöntemlerle şimdiye kadarki en küçük kirleticileri filtreleyebilir ve patojenleri de proaktif olarak öldürebilir.

Bilgi İşlem’de Grafen

En çok yazılıp çizilen olası uygulamalardan biri yarı iletkenler ve bilgisayar işlemcileri alanında. Grafen, aynı alana kat kat daha fazla transistör sığdırabilir ve çok daha az ısı üreterek çalıştırabilir. Sorun şu ki, yarı iletkenlerin açık ve kapalı durumlarını öğrenmek için “bant aralığı” denen bir özelliğe ihtiyaçları var ve grafen bu özelliğe sahip değil.

2024’te araştırmacılar, grafeni silikon karbür bir substrat üzerinde büyütmeyi başardı ve yarı iletkenler için kullanılabilir bir formda grafen üretti. Bu da grafen bazlı bilgisayar çiplerine yönelik en büyük engelin artık ortadan kalktığı anlamına geliyor. Çoğunlukla üretim zorluklarından kaynaklanan, grafenin depolama yarı iletkenlerinde kullanımıyla ilgili sorunlar da var, ancak son çalışmalar potansiyelin heyecan yaratacak kadar büyük olduğunu gösteriyor.

Elektronik ve Enerji

Bilim dünyası son bir çalışmasında, grafen mürekkebini 3D yazdırma yoluyla istenilen herhangi bir üç boyutlu yapıyı, küçük ölçekli detaylar dahil, oluşturmanın bir yolunu buldu. Bu, grafenin son derece düşük elektronik direncini kullanarak elektriksel olarak verimli sistemler için birçok elektronik uygulamanın önünü açabilir.

Grafenin işlemcilerde kullanımını kısıtlayan aynı bant aralığı sorunu, güneş enerjisinde devrim yaratmasını da engelliyor ki bu da potansiyel olarak yapabileceği bir şey. Tamamen organik (karbon bazlı) güneş pilleri mevcut. Ancak şu anda grafen, hibrit silikon-karbon teknolojilerinin tek katmanlarında verimliliği arttırmak için kullanılıyor.

Yine de bir çalışma, mevcut organik güneş pillerine grafen elementi eklemenin verimliliği %1’in altından yaklaşık %14’e çıkardığını buldu. Bu da tek bir sıçramayla hem daha düşük maliyetle hem de daha az (hatta belki hiç) nadir element gerekmeden teorik olarak mevcut silikon bazlı güneş panelleriyle rekabet edebilir hale getiriyor. Daha fazla çalışmayla, verimlilik açısından silikon bazlı panelleri neredeyse geçebilir.

Grafen gibi harika bir şeyin, sadece mühendislerin değil, bilim insanlarının da ilgisini çekebileceği ortada. Yakın tarihli bir çalışmada, grafen aracılığıyla temel bilimi ileriye taşıyarak yepyeni bir kuantum durumunu gözlemlemek için grafenin benzersiz elektronik özellikleri kullanıldı.

Grafen potansiyelinin onda birine bile ulaşabilirse, şüphesiz dünyayı değiştirecek. O yüzden bu makalenin de değeri her geçen gün daha da artacak. Biz de Technopat olarak grafenin gelişimini aktarmaya devam edeceğiz.