Grafen Geleceği Değiştirebilir

08.01.2020

Hazırlayan: B. Serhat Cengiz

Teknolojik gelişmeler tarihin akışını yönlendirir. Örneğin demir ve çelik, sanayi devrimi için çok önemli rol oynadı. Plastik ve diğer petrokimya ürünleri, hayatımızın her alanında vazgeçilmez öneme sahip. Silisyum / silikon teknolojileri, elektronik devrime imkan tanıdı. Bu malzemeler toplumların gelişimini şekillendirdi ve teknoloji yarışında bu materyalleri üreten ve etkin kullanabilen uluslar diğerlerinin önüne geçti. Günümüzde ise, grafen (graphene) isimli yeni bir materyal geleceği değiştirme potansiyeline sahiptir.

Grafen Nedir?

Grafen en basit anlatımla, süper ince bir grafit tabakasıdır. Grafit aslında yabancı olduğumuz bir malzeme değil, kurşun kalem olarak bildiğimiz bu materyali çocukluğumuzdan itibaren kullanıyoruz. Grafit, karbon elementinin bir allotropudur, yani aynı atomlara sahiptir, ancak bunlar farklı şekilde dizilmiştir. Bu dizilim farkları malzemeye çok farklı özellikler kazandırmaktadır. Örneğin, hem elmas hem de grafit karbon biçimleridir, ancak son derece farklı doğaları vardır. Elmaslar inanılmaz derecede güçlü iken, grafit son derece kırılgandır. Grafen ilk kez 2004 yılında, grafitin basit mekanik dökülmesi yoluyla izole edilmiş, olağanüstü elektronik, optik ve mekanik özelliklerinin benzersiz birleşimi nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Grafen levhalar, altıgen, bal-peteği benzeri bir düzende bağlanmış, iki boyutlu, bir atom kalınlığında sp2-bağlı karbon atomu katmanlarıdır. İlginçtir ki, grafen grafitten izole edildiğinde bazı mucizevi özellikler alır. Sadece bir atom kalınlığında, keşfedilen ilk iki boyutlu malzeme olma özelliğine sahiptir. Buna rağmen, grafen aynı zamanda evrende bilinen en güçlü malzemelerden biridir. 130 GPa’lık (gigapaskal) gerilme mukavemeti ile çelikten 100 kat daha güçlüdür. Grafenin bu kadar ince olmasına rağmen inanılmaz gücü, onu şaşırtıcı kılmak için zaten yeterli, ancak benzersiz özellikleri burada bitmiyor. Grafen aynı zamanda esnek, şeffaf, yüksek iletkendir, çoğu gaz ve sıvıya karşı geçirimsiz olma özelliğine sahiptir. Kısacası, grafenin mükemmel olmadığı bir alan yokmuş gibi görünüyor.

Gelişmiş batarya ve transistörler, güneş hücreleri, ekranlar, sensörler ve kompozitlerdeki potansiyel uygulamalara ek olarak, grafenin kaplama malzemesi olarak ya da çeşitli kaplama teknolojilerinin performansını arttırmak için bir katkı maddesi olarak kullanımına büyük ilgi var. Özellikle, grafen bazlı korozyon koruma kaplamaları geliştirmek için çeşitli yaklaşımlar geliştirilmektedir. Kaplama teknolojilerinde, grafenin süperhidrofobikliği de çok önemli faydalar sağlayabilir. Ayrıca iletken grafen kaplamalar için de birçok olası uygulama vardır.

Grafenin Kısa Tarihçesi

Grafit çok uzun süredir bilinen bir malzeme olagelmiştir (Neolitik dönemden beri kullanılmaktadır). Atom yapısı iyi bir şekilde belgelenmiş olan grafitin, tek bir katmanının izole edilip edilemeyeceğine bilim insanları kafa yormuş, ancak yakın zamana kadar, bu düşünce hayata geçirilememiştir. Bilim insanları, grafitin tek bir atom inceliğe kadar tek bir tabaka halinde kesilmesinin mümkün olup olmadığından emin değildiler. Ancak 2004 yılında Manchester Üniversitesi’nden Andre Geim ve Konstantin Novoselov ilk izole edilmiş grafen örneği elde etmeyi başardı. İşin ilginç tarafı, bunu başarabilmek için kullandıkları alet gerçekten çok basitti, bu alet sadece bir rulo banttı. Büyük bir grafit bloğunu parlatmak için bant kullanıldığında, bu araştırmacılar bant üzerinde olağanüstü ince pullar görmüşlerdi. Katman katman grafit pullarını soymaya devam ederek, olabildiğince ince bir numune ürettiler. Sonunda ‘Grafen’i bulmuşlardı. Keşif çok tuhaftı, ilk başta bilim dünyası şüpheliydi. Saygın bir popüler doğa dergisi, bilim adamlarının bu konudaki makalelerini yayımlamayı iki kez reddetti. Ancak sonunda araştırma yayımlandı ve 2010 yılında Geim ve Novoselov keşiflerinden dolayı Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü.

Grafenin Potansiyel Pazarları

Grafen kaplamalar hidrofobik, iletken ve / veya kimyasal olarak dirençli olabilir ve bu nedenle, birçok uygulama için idealdir. Hidrofobik grafen kaplamaların, gemi gövdeleri, tencere / tava gibi ürünler, cam yüzeyler (aynalar, pencereler, ön camlar) ve tekstiller gibi alanlarda su geçirmez uygulamalar için kullanılabileceği tahmin ediliyor. İletken grafen kaplamalar, cep telefonlarında, tabletlerde, bilgisayarlarda, televizyon ekranlarında ve diğer ekranlarda da kullanım alanı bulacaktır. Grafen kaplamalar ayrıca üstün kimyasal, nem, korozyon, UV ve yangına dayanıklılık özelliklerine sahip koruyucu kaplamalar olarak da işlev görebilir. Tıbbi cihazlarda, bu kaplamalar bozulmaya karşı dirençli olan biyo-uyumlu bir yüzey sağlayacaktır. Kaplama formülatörleri, şimdiye kadar polimerik kaplamaların özelliklerini değiştirmek için inorganik dolgu maddelerini benimsemiştir. Onlarca yıldır kullanılan nano ölçüde (nanoscale) dolgu maddeleri büyük ölçüde tabakalı killerden, karbon nanotüplerinden ve türevlerinden ve de en yaygın olarak silikon dioksit (Si02) olan küresel nanopartiküllerden oluşmaktadır. Bununla birlikte, çoğu inorganik dolgu maddesi, organik polimer reçineleri ile zayıf bir uyum sergiler ve bu nedenle dolgu maddelerinin yüzeyleri, dolgu maddesi / matris etkileşimlerini geliştirmek için sıklıkla değiştirilmelidir. Grafen, nano ölçekli bir dolgu maddesi olarak çekicidir, çünkü organik polimerlerle daha iyi etkileşime sahip olan karbon bazlı bir malzemedir. Bu nedenle, grafen nanolevha – nanoplaka (nanosheets - nanoplates) ve grafen oksit, çeşitli kaplama türleri için dolgu maddesi olarak incelenmiştir. Sadece kaplama alanında bu kadar çok ticari fırsat olması nedeniyle, sayısız ürünün henüz pazara ulaşmamış olması ise şaşırtıcıdır. Cevap basit - grafen üretimi için pratik, uygun maliyetli, ticari ölçekli bir yöntem henüz geliştirilmedi. Halen, grafen çok yüksek bedellerle ve çok düşük miktarlarda üretilebilmektedir. Ancak, gelecekte üretim teknolojisinde önemli ilerlemeler kaydedileceği tahmin ediliyor.

Koruyucu Grafen Kaplamalara Odaklanma

Belirtildiği gibi, grafen kaplamalar üzerine yapılan araştırmanın kapsamı aşırı çeşitlilik gösterir ve hem performans özellikleri hem de potansiyel uygulamaları içermektedir. Son zamanlarda yapılan birçok çalışma, korozyon ve diğer hasarlara karşı korunma için saf grafen veya polimer / grafen kompozit kaplamaların geliştirilmesine odaklanmıştır. Bazı yeni sonuçları kısaca inceleyelim.

Saf Grafen ile Koruma

Avustralya’daki Deakin Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, doğrudan ostenitik paslanmaz çelikten mikron boyutundaki lifler üzerinde yetişen grafen pullarının, korozyona karşı koruma sağlayan üç boyutlu nano pul ağlarından oluşan bir bariyer oluşturduğunu gösterdi. Performans, geliştirilmiş su iticilik ve grafenin yüzeyde redoks reaksiyonlarının oluşumunu azaltan eşsiz elektriksel özellikleri grafenin hidrofobikliği ile başarıldı. Grafen kaplamanın kalınlığı, bırakma (deposition) sırasındaki sıcaklık ve besleme gazı akış hızı değiştirilerek ayarlandı. Hem birkaç atomik tabaka hem de birbirine bağlı 2-4 um uzunluğundaki nanopillerlerle (nanopiller yüksek boy oranlı nanoyapılardır, büyük dizide düzenlenirler) daha karmaşık kaplamalar içeren, hem de basit kaplamalar sentezlendi ve araştırıldı. Bu son katlar kitlesel olarak geliştirilmiş spesifik yüzey alanları, süper hidrofobiklik ve sentetik deniz suyuna en yüksek korozyon direnci sergiledi. Makale yazarları, yeni kaplama teknolojisinin yeni ısı değiştiriciler, ayırma sistemleri, adsorpsiyon ve biyouyumlu malzemelerin geliştirilmesinde uygulanabileceğine inanmaktadırlar. Bu arada, Massachusetts Institute of Technology’den bilim insanları son zamanlarda ultra ince, ölçeklenebilir, kimyasal-buharla biriken (CVD) grafen kaplamaların tipik fonksiyonel hidrofobik kaplamalardan daha yüksek kimyasal dirence sahip olduklarını ve ısı transfer sistemlerinde kullanılan bakır kondenser borularda film (katman) şeklinde yoğunlaşma yerine damlamayı teşvik ettiğini bildirdi. Isı transferi, 100°C’de saf su buharındaki geleneksel bir tek tabakalı hidrofobik polimer kaplamanınkine kıyasla dört kat arttı. Grafen kaplamanın kimyasal dayanıma karşı daha dayanıklı olduğu ve daha düşük bir termal direnç sağladığı belirlendi. Grafen kaplama iki haftalık bir süre boyunca ölçülebilir bir bozulma belirtisi göstermezken, polimer kaplama üç saat içinde bozulmaya başladı ve 12 saat içinde tamamen başarısız oldu. Araştırmacılar ayrıca, Elektrik Enerjisi Araştırma Enstitüsü’nün verilerini kullanarak, iyileştirilmiş kondenser ısı transferinin, enerji santrallerinin verimliliğinde %2-3’lük bir artışa yol açabileceğini hesapladı. Grafen kaplamaların ayrıca tipik polimer kaplamalara göre mikrobiyal kaynaklı korozyona karşı daha fazla koruma sağladığı gösterilmiştir. Rensselaer Politeknik Enstitüsü, Güney Dakota Maden ve Teknoloji Okulu, Oklahoma Eyalet Üniversitesi ve Shenyang Ulusal Malzeme Bilimi Laboratuarı’ndaki araştırmacılar, grafen kaplamaların metalik yüzeyleri sert mikrobiyal koşullar altında korozyondan standart parylen-C (PA) ve poliüretan (PU) koruyucu kaplamalardan daha iyi koruduğunu belirledi. Sonuçlar, grafenin mikrobiyal saldırıya karşı direncine ve grafen kaplamanın oldukça uygun ve hatasız olmasına dayanmaktadır. Bir sonraki adım olarak, bilim adamları agresif atmosferik koşullar altında inşaat endüstrisinde kullanılan geniş metal levhalar ve diğer metaller üzerindeki grafen kaplamaların performansını araştıracaklardır. Ticari ölçekli grafen kaplamaların geliştirilmesindeki zorluklardan biri, endüstriyel kullanıma uygun, geniş alanlı, hatasız grafen filmlerin imalatı için yöntemlerin geliştirilmesi olmuştur. Manchester Üniversitesi’ndeki araştırmacılar bu problem için çözümü, ilk önce grafen oksit laminatları uygulamak ve daha sonra kimyasal olarak yani hidroyodik ve askorbik asitleri kullanarak bunları grafene indirgemek oldu. Bu işlem sayesinde laminatlar çok az yapısal hasar ile yüksek derecede grafitleşti. Filmler, hidroflorik asit dahil, gazlara, sıvılara ve agresif kimyasallara karşı oldukça geçirimsizdir. İngiltere’den Applied Graphene Materials (AGM) firması, bir dizi grafen nanoplatelet (A-GSMH) için, benzersiz bir şekilde sürekli bir sentez işlemi yoluyla ölçeklenebilir bir üretim teknolojisi geliştirmiştir. Sektöre hazır grafen dispersiyonları geliştirmeye odaklanmalarını desteklemek için AGM, değiştirilmiş poliüretan ve epoksi kaplamaları test etmek için İngiltere’nin Boya Araştırma Derneği ile işbirliği yaptı. Küçük A-GNP10 nanoplatelet ilavelerine dayanarak yapılan ilk sonuçlar, çizilme direnci gibi mekanik özelliklerde iyileşmeler olduğunu, ancak nem buharı iletim hızlarını ve antikorozif performansı azaltmada göze çarpan kazançları olduğunu göstermiştir. AGM, döngüsel tuz püskürtme testi sırasında başarısızlığa uğradığı zamandakinden %300’den fazla iyileşme bildirmiştir. Tayvan’daki Chung-Yuan Christian Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, termal imidizasyon yoluyla elektroaktif poliimid (EPI) / grafen nanokompozit (EPGN) kaplamaları geliştirdiler ve bu kaplamaların, soğuk haddelenmiş çelik (CRS) elektrotlarının korozyonuna karşı iki kat koruma sağladığını gösterdi. Grafen, nano ölçekli bir dolgu maddesi olarak çekicidir, çünkü gelişmiş karbon bazlı bir malzemedir ve organik polimerlerle etkileşir. Korozyon koruması, hafif ağırlığın çok önemli olduğu havacılık endüstrisinde kilit bir konudur. Grafen kaplamalar ilgi çekmiştir çünkü birkaç nanometre kalınlığında uygulandığında bile korozyon koruması sağlama potansiyeline sahiptir. Grafen nano dolgu maddeleri de çok çekicidir çünkü çok düşük yüklerde kaplamaların özelliklerini önemli ölçüde geliştirebilirler. Bu nedenle, İtalya’daki Napoli Federico II Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, grafen nano dolgu maddelerinin alüminyum uçak alaşımı Al 2024-T3.6’ya uygulanan su bazlı epoksi koruyucu kaplamaların performansı üzerindeki etkisini araştırdılar. Grafen teknolojileri sertleştirme işlemi veya yapışma özellikleri üzerinde hiçbir etkisi olmadan bariyer özelliklerinin ve su temas açısının iyileştirilmesi yoluyla performans kazancı sağlayabilir.

Esnek Elektronik

Güçlü elektriksel özelliklerine ek olarak, grafen de oldukça esnek ve saydamdır. Bu, taşınabilir elektroniklerde kullanım için çekici kılar. Akıllı telefonlar ve tabletler, grafen kullanılarak çok daha dayanıklı hale gelebilir ve belki de kağıt gibi katlanabilir. Giyilebilir elektronik cihazlar son zamanlarda popülerlik kazanmaktadır. Grafen ile bu cihazlar daha da kullanışlı hale getirilebilir, uzuvların etrafına rahatça oturacak ve çeşitli egzersiz biçimlerini barındıracak şekilde bükülecek şekilde tasarlanabilir.

Grafen Araştırmalarının Geleceği

Grafenin bu güçlü özellikleri göz önüne alındığında, her yerde onu görmeyi bekleriz. Öyleyse, neden, grafen yaygın olarak benimsenmedi? Her zaman olduğu gibi burada da maliyet faktörü belirleyici oluyor. Grafen, büyük miktarlarda üretmek için hala oldukça pahalı ve bu durum seri üretim gerektiren herhangi bir üründe kullanımını sınırlıyor. Ayrıca, büyük grafen tabakaları üretildiğinde, malzemede görünen küçük çatlaklar ve diğer kusurlar için artan bir risk vardır. Bilimsel bir keşif ne kadar inanılmaz olursa olsun, ekonomi her zaman başarıya karar verecektir. Ancak tüm bu üretim sorunlarına rağmen grafen araştırma son hızda devam ediyor. Dünyanın dört bir yanındaki araştırma laboratuvarları - grafenin ilk keşfedildiği Manchester Üniversitesi de dahil olmak üzere - sürekli olarak grafen oluşturma ve kullanma yöntemleri için patent dosyalıyorlar. Avrupa Birliği, elektronikte kullanılmak üzere grafen araştırmalarını finanse edecek bir amiral gemisi programı için fonu 2013’te onaylanmıştı. Bu arada, Asya’daki büyük teknoloji şirketleri, Samsung da dahil olmak üzere grafen teknolojileri üzerinde araştırma yapıyorlar. Devrimler bir gecede olmaz, silisyum 19. yüzyılın ortalarında keşfedildi, ancak silisyum yarı iletkenlerinin bilgisayarların yükselişine yol açması neredeyse bir yüzyıl sürdü. Grafen, neredeyse efsanevi nitelikleriyle, insanlık tarihinin bir sonraki dönemini yönlendiren kaynak olabilir mi, bunu sadece zaman gösterecek.