Periyodik Tablo’nun 6 numaralı elementi Karbon (C) eşsiz özelliklere sahip bir elementtir. Karbon elementini oluşturan C atomları en dış yörüngelerindeki elektronlarını ortaklaşa kullandıkları kovalent bağlarla birbirlerine bağlanarak, uzayda çok farklı şekillerde dizilebilmektedir. C atomlarının uzay dizilişindeki farklılık, fiziksel özellikleri birbirinden farklı ‘Karbonlar’ elde etmemizi mümkün kılar (bkz. Şekil 1). Bunlara karbonun allotropları adı verilir.
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. Daha sonra 2004 yılına gelindiğinde Manchester Üniversitesinden iki araştırmacı, Prof Andre Geim ve Prof Kostya Novoselov grafitten tek bir tabakayı “ selobant” tekniği (Scotch Tape method) 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.
Grafenin özellikleri
Bir kağıdın üzerine kurşun kalemle bir çizgi çizersek bir grafen yaprağı elde etmiş oluruz. Bir başka ifade ile, milyonlarca grafen tabakası bir araya gelerek kurşun kalem yapımında kullanılan grafit adı verilen allotropa dönüşür. Grafen dünyada bilinen en ince iki boyutlu malzemedir. Karbon atomlarının altılı halkalar halinde el ele tutuşarak oluşturduğu düzlemsel bir yapıya sahiptir (bkz. Şekil 2). Bu yapısı sayesinde grafen olağanüstü fiziksel özelliklere sahiptir.
Grafen, bal peteği şeklindeki yapısı ile şu ana kadar belirlenmiş en dayanıklı malzemedir. Örneğin çekme dayanımı (130000 MPa) normal çeliğin çekme dayanımından (300 MPa) yaklaşık 400 kat daha fazladır (bkz. Şekil 3). Tek bir atom kalınlığında bir yaprak halinde olduğu için çok hafif ve çok esnektir. Bir metrekaresinin ağırlığı sadece 0.77 miligramdır. Yoğunluğu 2 gcm-3’dür.
Altılı C halkaları içinde serbest olarak dolaşan elektronlar sayesinde grafen bakır metali kadar iyi bir elektriksel iletkenliğe ve bakırdan on kat daha fazla termal iletkenliğe sahiptir. Grafen bir atom kalınlığında olmasına ragmen, görünür ışığın % 2.3’ünü soğurduğu için çıplak gözle görülebilir, ancak yine de saydam olan bir malzemedir. Ağ yapılı olmasına rağmen grafenin altılı halkaları o kadar küçüktür ki, bir helyum atomunun bile bu halkalardan geçmesi mümkün değildir.
Günümüzde ve gelecekte grafen uygulamaları
Birden fazla eşsiz özelliğe sahip bir malzeme olarak sınırsız grafenin kullanım alanları sınırsızdır. Tenis raketleri, golf çubukları gibi spor malzemeleri, otomobil ve uçak gövdeleri, rüzgar tribün kanatları grafen içeren polimer nanokompozitlerden üretilmeye başlanmıştır.
Gece görüşü sağlayabilen akıllı kontak lensler, akıllı etiketler, su geçirmezlik, kurşun geçirmezlik, filtrasyon gibi önemli uygulama olanakları deneme aşamasındadır. Yakıt pilleri, güneş enerjisinin depolanması, süper kapasitörler, elektronik devreler, nanoçipler, esnek bilgisayarlar ve cep telefonları, televizyon ekranları yapımında grafenin kullanım olanakları hızla yayılmaktadır.
Grafenin endüstriyel üretimi
Yaklaşık altı yıl önce grafenin endüstriyel üretimi ABD’inde bazı firmalar tarafından başlatılmıştır. Bugün farklı ülkelerde pek çok şirket grafen üretimi yapmaktadır. Halen kilogram fiyatı 240 ABD doları olan yüksek kalite grafenin 2017’de dünya genelinde yıllık grafen üretiminin yaklaşık 273 tona ulaşacağı tahmin edilmektedir.
Prof. Dr. Nihal Sarıer, İstanbul Kültür Üniversitesi
Kaynaklar:
- The Home of Graphene, http://www.graphene.manchester.ac.uk/
- Two dimensional Atomic Crystals, K.S. Novoselov, et al.Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 102 (2005), p. 10451
- The global growth of graphene, Nature Nanotechnology 9, 726–730 (2014) doi:10.1038/nnano.2014.229
