Grafen Nedir? Grafenin Özellikleri ve Kullanım Alanları Nelerdir?

Grafen, periyodik tablodaki en ilginç elementlerden biri olan karbonun iki boyutlu bir allotropudur. Allotrop, bir elementin farklı fiziksel formlarda bulunmasıdır. (Allotrop, aynı elementin uzayda farklı şekilde dizilerek farklı geometrik şeklindeki kristallerine denir.) Karbonun grafit (kurşun kalem, katı yağlayıcılar vb.) ve elmas gibi gündelik hayattan çok iyi bilinen allotroplarının yanında nanotüp ve fulleren gibi yeni sentezlenen formları da mevcuttur. Özellikle karbon nanotüpler ve C60 (fulleren) molekülleri ilk sentezlendikleri yıllardan günümüze kadar katı hal fiziği son derece aktif araştırma alanları arasına girmiştir.

Grafen ise karbon atomlarının altıgen bal peteği şeklinde bağlanmış, sadece bir atom kalınlığındaki düzlemsel bir yapıdır. Grafenin bu yapısı ona sıra dışı fiziksel ve kimyasal özellikler kazandırmaktadır. Grafen, grafitin, nanotübün ve C60’ın ana yapıtaşı olan sp2 melezleşmesi yapan karbon atomlarından oluşur. Melezleşme, atomların orbitallerinin farklı şekillerde birleşmesi sonucu oluşan yeni orbitallerdir. Sp2 melezleşmesinde karbon atomu bir s orbitali ile iki p orbitalini birleştirerek üç tane sp2 orbitali oluşturur. Bu orbitaller 120 derecelik açılarla düzlemde yer alırken boşta kalan pz orbitali ise düzleme dik olarak konumlanır.

Grafen yapısında karbon-karbon bağ uzaklığı yaklaşık olarak 1.42 Angstrom iken grafen tabakalarının üst üste gelmesi ile meydana gelen grafitte iki grafen tabakası arasındaki mesafe yaklaşık 3,35 Angstrom’dur. Grafendeki güçlü karbon bağları ona yeryüzündeki bilinen en sağlam malzemelerden biri olma özelliğini kazandırmıştır. Bununla birlikte grafitteki grafen katmanlar arasındaki bağlar oldukça zayıftır. Kurşun kalemi kağıda sürtünce bu zayıf bağlar kırılmakta ve kağıda yayılan grafen ve grafit tabakalar yazı izlerini oluşturmaktadır.

Grafenin tanımını yaparken onun iki boyutlu bir malzeme olduğunu belirtmiştik. İki boyutlu malzemeler, uzayda sadece iki boyutta uzanan ve kalınlığı yok sayılabilir olan malzemelerdir. Grafen gibi iki boyutlu malzemelerin teorik olarak kararlı olamayacakları; bu kararsızlığın düşük sıcaklıklarda bile malzemenin dağılmasına yol açacağı düşünülmekteydi. Ancak grafenin kararlı yapısının altında yatan sebebin yüzeye dik termal dalgalanmalar olduğu ileri sürülmektedir.

Grafenin keşfi

Grafenin keşfi ve sentezlenmesi de oldukça ilginç bir hikayedir. 2010 Nobel Fizik Ödülü’nü kazanan Andre Geim ve Konstantin Novoselov, sıradan bir yapışkan selobantı grafit üzerine tekrar tekrar yapıştırıp kaldırarak tekil grafen katmanını ayırmayı başardılar ve izole ettikleri grafen katmanını basit bir optik mikroskop ile gözlemlediler. Bu basit yöntem sayesinde grafen gibi iki boyutlu malzemelerin varlığı kanıtlanmış oldu.

Grafenin Özellikleri

Grafenin sahip olduğu pek çok özellik onu geleceğin teknolojisi için vazgeçilmez bir malzeme haline getirmektedir. İşte grafenin bazı önemli özellikleri:

Grafen elektriği çok hızlı bir şekilde iletir

Grafende elektronların hareketliliği çok yüksektir. Bu da elektriği çok hızlı ve verimli bir şekilde ilettiği anlamına gelir. Günümüzde elektronik devrelerde kullanılan ve elektriği çok iyi ilettiği bilinen bakırdan bile kat ve kat daha hızlı bir yapıdadır. Ayrıca grafende elektrik direnci de çok düşüktür. Bu sayede elektrik enerjisi kaybını önlemek mümkündür.

Şeffaf, güçlü ve esnek bir yapıdadır

Grafen hem şeffaf hem de güçlü bir malzemedir. Işığın %97’sini geçirebilirken aynı zamanda çelikten 200 kat daha güçlüdür. Ayrıca grafen esnek bir yapıya sahiptir. Bir santimetre karelik grafeni 42 kilogramlık bir ağırlık taşıyabilirken 20 santimetre kadar esneyebilir.

Isıyı çok iyi iletir

Grafende ısı da elektrik gibi çok hızlı bir şekilde iletilir. Grafenin termal iletkenliği bakırın yaklaşık iki katıdır. Bu sayede grafende ısı dağılımı çok homojendir.

Kimyasal olarak kararlıdır

Grafende oksijene maruz kaldığında oksitlenme gibi kimyasal reaksiyonlar meydana gelmez. Bu da grafeni paslanmaya veya bozulmaya karşı dayanıklı kılar.

Yüzey alanına oranla çok hafiftir

Grafende sadece tek katmanlık karbon atomları bulunduğu için yüzey alanına oranla çok hafif bir malzemedir. Bir metrekarelik grafenin ağırlığı yaklaşık olarak 0.77 miligramdır.

Grafen Nerelerde Kullanılır?

Grafenin sahip olduğu bu özellikler onun pek çok alanda kullanılmasına olanak sağlamaktadır. İşte grafenin potansiyel kullanım alanlarından bazıları:

Elektronik

Grafende elektriğin çok hızlı iletilmesi sayesinde daha küçük, daha hızlı ve daha verimli elektronik devreler üretmek mümkündür. Ayrıca grafende transistörler de daha küçük boyutlarda yapılabilir. Bu sayede bilgisayar işlemcileri, bellek kartları, sensörler gibi elektronik bileşenlerde performans artışı sağlanabilir

Ekranlar

Grafen hem şeffaf hem de esnek bir malzeme olduğu için ekran teknolojisinde kullanılabilir. Grafen ile üretilen ekranlar hem daha ince hem de daha dayanıklı olabilir. Ayrıca grafen ekranlar bükülebilir ve katlanabilir özellikte olabilir . Bu sayede akıllı telefonlar, tabletler, televizyonlar gibi ekranlı cihazlarda yeni tasarımlar ortaya çıkabilir.

Pil ve bataryalar

Grafen ısıyı ve elektriği çok iyi ilettiği için pil ve batarya teknolojisinde de kullanılabilir. Grafen ile üretilen pil ve bataryalar hem daha hızlı şarj olabilir hem de daha uzun süre enerji verebilir. Ayrıca grafen pil ve bataryalar daha hafif ve daha güvenli olabilir.

Güneş panelleri

Grafen ışığın %97’sini geçirebildiği için güneş panellerinde kullanılabilir. Grafen ile üretilen güneş panelleri hem daha verimli hem de daha ucuz olabilir . Ayrıca grafen güneş panelleri esnek ve bükülebilir olduğu için farklı yüzeylere monte edilebilir.

Kompozit malzemeler

Grafen çok güçlü bir malzeme olduğu için diğer malzemelerle karıştırılarak kompozit malzemeler üretmek mümkündür. Grafen ile güçlendirilmiş kompozit malzemeler hem daha hafif hem de daha sağlam olabilir . Bu sayede otomotiv, havacılık, inşaat gibi sektörlerde grafen kompozit malzemeler kullanılabilir.

Biyomedikal

Grafen kimyasal olarak kararlı ve biyouyumlu bir malzeme olduğu için biyomedikal alanda da kullanılabilir. Grafen ile üretilen ilaçlar, implantlar, yara bandları, sensörler gibi biyomedikal ürünler hem daha etkili hem de daha güvenli olabilir . Ayrıca grafen biyolojik moleküllerle etkileşime girebildiği için hastalıkların teşhis ve tedavisinde de kullanılabilir.

Sonuç

Grafen, karbon atomunun bal peteği örgülü yapılarından bir tanesine verilen isimdir. Grafenin elektriği çok hızlı bir şekilde iletmesi, şeffaf, güçlü ve esnek olması gibi pek çok özelliği vardır. Bu özellikler sayesinde grafen, geleceğin teknolojik ürünlerinde kullanılacak mucizevi bir malzeme olarak görülmektedir. Bu makalede grafenin tanımı, sentezlenmesi, özellikleri ve kullanım alanları hakkında bilgi verilmiştir.

Kaynakça

• Grafen. (2023, 22 Mayıs). Vikipedi, özgür ansiklopedi. https://tr.wikipedia.org/wiki/Grafen