TEKNOLOJİDE DEVRİM NİTELİĞİ TAŞIYAN KARBON ATOMLARIN BAL PETEĞİ : GRAFEN

Periyodik Tablonun 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. 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, 56, 60 ya da 70 Karbon 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 (iglo gibi kubbe çatılar) 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.

Grafen de bu yeniçağın kahramanlarından biri. Grafeni diğer allotroplardan hatta diğer bileşiklerden ayıran özelliği ise iki boyutlu olması. Birçok bilim insanı 1859 dan bu yana her türlü karmaşık yöntemi kullanarak grafeni elde etmeye çalışmışlar fakat 2004 yılında alabildiğine basit bir yöntemle ilk kristaller keşfedilmiş. Nasıl mı? Araştırmacılar, çok saf bir grafit kristali alarak masanın üzerine koymuşlar, üzerine yapışkan bir bant -tabi ki herhangi bir bant değil selobant tekniği olarak geçtiği için bu şekilde ifade ediliyor- yapıştırdıktan sonra, bandı grafit yüzeyinden hızla çekerek bir tabaka grafeni ayırmayı başarmışlar, daha sonra özelliklerini incelemişlerdir. Bu çalışmayla 2011 de Nobel Fizik ödülüne de layık görülmüşlerdir.

Grafen ile ilgili araştırmalarda bilim insanları henüz yolun çok başındalar fakat geliştirilmekte olan bazı teknolojiler şunlar:

• Bataryaların ultra hızlı şarj edilmesi,
• Radyoaktif atıkların daha kolay temizlenebilmesi,
• Hızlı flash hafızalar,
• Güçlü ve daha dengeli aletler ve spor ekipmanları üretilmesi (tenis raketi gibi ),
• Grafen temelli güncellenebilen elektronik kağıtlar,
• Küçük ve verimli biyoosensör cihazlar,
• Bataryaların yerini alabilecek süperkapasitörler,
• Su geçirmeyen kıyafetler,
• Daha sağlam ve hafif uçaklar ve koruma ekipmanları,
• Doku yenilenmesinde yardımcı malzeme olarak kullanmak,
• Tuzlu suyu, içilebilir suya dönüştürmek,
• Doğrudan vücuttaki nöronlara bağlanabilen biyonik cihazlar.

Günümüzde grafenin kullanım alanını geliştirilen bir yöntem de flaş grafen metodu. Bu metod ile plastik ve diğer atıklar, kolay bir yöntemle grafene dönüşebiliyor. Grafene dönüştürülmüş bir muz kabuğu, beton gibi inşaat malzemelerinin çevreye olan etkisini büyük ölçüde azaltabiliyor. Rice üniversitesinde yapılan çalışmalar sayesinde her türlü karbon kaynağı grafene dönüşebiliyor. Kullandıkları yöntem hem çok ucuz hem de çok hızlı.

Dünya çapındaki yiyeceklerin %30-%40 ı bayatlayıp çöp oluyor, plastik de malum küresel bir problem. Bu çalışmanın başında olan James Tour flaş grafen adını verdikleri bu yöntemle bu sorunların büyük ölçüde ortadan kalkacağını iddia ediyor. Flaş grafen karbon içeren her türlü malzemenin 3000 Kelvin (2727 Celcius) sıcaklıkta ısıtılması ile 10 milisaniye gibi kısa bir sürede üretiliyor. Grafenin şu anki ticari değeri ton başına 200 bin dolara varabiliyor dolayısıyla bu işlemin avantajları büyük olacak.

Beton hazırlanırken çimentoya katılan %0.1 oranındaki flaş grafen çimento üretimindeki karbondioksit salınımını 1/3 oranında azaltır. Betonu grafenle güçlendirerek binalarda çok daha az beton kullanabilir hem üretimde hem de taşımada maliyetlerin düşürülmesini sağlayabiliriz.

Geri dönüşüm ve teknolojinin bu kadar ön planda olduğu bir çağda kahramanlarımızdan biri olan grafenin rolü yadsınamaz. Araştırma ve geliştirmeye açık bu alanın hayatımızda daha geniş bir yere sahip olacağına şüphe yok. Bilimin sonsuzluğunda buluşmak dileğiyle…

Berna YILDIZ