Grafen – nedir ve ne için kullanılır?

Grafen – ne olduğu ve nereden geldiği

Grafenin çığır açan karakteri, öncelikle iki boyutluluğunda yatmaktadır. Fiziksel olarak, görsel olarak bir bal peteğine benzeyen altıgen bir düzende düzenlenmiş tek karbon atomlarından oluşan bir katmandır. Grafen bu nedenle bir karbon allotropudur. 1940’larda, Phillip Russel Wallace, tek atomlu bir karbon yapısı yaratmanın teorik konseptini geliştirdi. Ancak bu fikir uzun yıllardır çoğu bilim insanı tarafından reddedilmiştir. Altmış yıl sonra, gerçek, somut bir malzemeye dönüştürülemedi. Manchester Üniversitesi’nden Gejm ve Nowosiolow ikilisi, bir yapışkan bant kullanarak karbon atomlarını bir silikon dioksit (SO ₂ ) tabakasına aktararak bir grafit yığınından grafeni izole etmeyi başardı. Silika bu süreçte önemli bir rol oynadı ve nötr bir elektrik yüküne sahip bir grafen tabakasını izole etti. Bu yöntem şu anda yalnızca araştırma amacıyla küçük ölçekte kullanılmaktadır.

Grafenin olağandışı özellikleri

Bilim dünyasını büyüleyen bu ultra ince karbon atomu tabakası hakkında ne düşünüyorsunuz? Grafenin son derece iyi bir ısı ve elektrik iletkeni olduğu kanıtlanmıştır. Aynı zamanda düşük aktif direnç ile karakterizedir. Bu açıdan bakır ve silisyum için bir rakiptir. Oda sıcaklığında, grafen elektronları diğer malzemelerde görülmemiş hareketlilik gösterir. Işık hızının 1/300’üne ulaşan yüksek hızları, teşhiste kullanım için ilginç olanaklar sunuyor. Grafen de neredeyse şeffaftır – beyaz ışığın %2,3’ünü emer. Bu nedenle, olağanüstü elektrik potansiyeli optik olanla el ele gider. Son derece ince yapısına rağmen grafen çelikten 100 kata kadar daha güçlüdür. Aynı zamanda, yüksek düzeyde bir esneklik sağlar (uzunluk veya genişlikte %20’ye kadar gerilebilirlik). Oksitlenmiş bir grafen membran, gazlara karşı tamamen geçirimsizdir, ancak suya karşı geçirgendir, bu nedenle filtrasyon için kullanılabilir. Malzemenin antimikrobiyal özellikleri de dikkat çekicidir.

Muhtemel grafen – çeşitli endüstrilerdeki uygulamalar

Grafenin elektronik, optik, termal ve mekanik özellikleri, uzmanlara göre önümüzdeki on yıllarda dinamik olarak gelişecek olan birçok pratik ticari uygulamasının kapısını açmıştır. Zaten bugün, grafen elektronik alanda silikonun halefi olarak kabul ediliyor. Bu şeffaf ve esnek iletken, fotovoltaik hücreler, yuvarlanabilir ekranlar ve dokunmatik panellerin yanı sıra LED ışıkları üretmek için kullanılabilir. Ayrıca elektromanyetik sinyallerin frekansını önemli ölçüde artırarak daha hızlı transistörlerin üretilmesini sağlar. Grafen sensörleri de büyük ilgi görüyor. Olağanüstü hassasiyet sayesinde, tehlikeli maddelerin tek bir molekülünü tespit edebilirler, böylece çevreyi izlemeyi kolaylaştırırlar. Havada dağılan grafen oksit ayrıca radyoaktif kirleticileri uzaklaştırma özelliğine de sahiptir. Grafen ile yeni ürünler geliştirme olasılığı her yıl artıyor En büyük potansiyele sahip mevcut uygulamalar arasında şunlar yer alıyor:

• modern güç şebekeleri;
• enerji tasarruflu ışık kaynakları;
• spintronik cihazlarda kullanılan yarı iletkenler;
• daha etkili korozyon önleyici kaplamalar;
• arıtma ve tuzdan arındırma için su filtrasyonu;
• optoelektronik iletişim sistemleri.

Ek olarak, arabalar, uçaklar, gemiler ve cihazlar için daha hafif ve daha dayanıklı yapısal bileşenlerin üretimi için grafenin ileriye dönük kullanımı hakkında spekülasyonlar var. Yapay malzemelerle (örneğin kauçuk) kombinasyon halinde, örneğin termal olarak iletken kauçuk oluşturmak için kullanılabilir. Grafene dayalı olarak, elektriği iletebilen son derece güçlü bir kağıt halihazırda geliştirilmiştir.

Biyouyumlu grafen – tıbbi uygulamalar

Grafenin biyotıp alanında hem teşhis hem de tedavi alanlarında kullanılma olasılığı da dikkate değerdir. Bir ilaç taşıyıcısı olarak grafen oksit, yüksek biyouyumluluk ve mükemmel çözünürlük ile karakterize edilir. Bu, anti-inflamatuar ve anti-kanser ajanlarının yanı sıra enzimler ve mineral maddelerin hassas dozlanmasını sağlar. Grafen mükemmel bir ısı iletkeni olduğundan kanserli tümörleri yok etmek için de kullanılır. Termolezyon olgusu, dokulardaki ağrıyı azaltmak için biriktirdiği ısının kullanılmasını sağlar. Isıtmalı tıbbi aksesuar ve giysi üretimi için çalışmalar devam etmektedir. Grafen levhalar ayrıca biyosensör olarak kullanılır ve taşınabilir cihazlarla kanser ve nörolojik hastalıkların (örn. epilepsi veya Parkinson hastalığı) teşhis edilmesine yardımcı olabilir. Polonyalılar tarafından geliştirilen grafen probunun, kalp seviyesinden ölçümlere izin vererek EKG testinde devrim yaratması bekleniyor. Grafenin antibakteriyel özellikleri, bakterilerin antibiyotiklere karşı artan duyarsızlığıyla ilgili krizi çözme fırsatı da sağlar. Grafen, topikal enfeksiyon kontrolü ve yara dezenfeksiyonu amaçlı ajanların geliştirilmesi için bir temel olarak kullanılabilir. Doku mühendisliğinde grafen kullanma olasılığı çok umut verici görünüyor. Yenilikçi karbon iskelenin mekanik gücü son derece yüksektir. Araştırmalar, kök hücre farklılaşmasını hızlandırdığını ve daha hızlı iyileşmeyi desteklediğini gösteriyor.

Grafen üretimi

2014’ten beri grafen, ticari amaçlar için daha büyük ölçekte üretildi. Yeni mikromekanik teknikler, malzemede önemli bir fiyat indirimi sağladı. Şu anda önde gelen üreticileri, önemli miktarlarda ucuz amorf grafitin bulunabileceği ABD ve Çin’dir. Elektronik alanında arzu edilen birinci sınıf grafen, yeterli kalitede grafitten üretilmelidir ve bu, özel işlemede elde edilen düz, sıralı kristaller gerektirir. Malzemenin fiyatı buna bağlı olarak daha yüksektir. Koreli araştırmacılar, kimyasal buhar biriktirme (CVD) ile grafen üretmenin verimli ve uygun maliyetli bir yolunu geliştirmeyi başardılar. Bu çözümün dezavantajı, daha düşük malzeme kalitesi ve daha yüksek hata sıklığıdır. Ancak bazı uygulamalarda bu bir sorun teşkil etmemektedir. Kutuplar ayrıca yenilikçi grafen üretim yöntemlerinin geliştirilmesine de katkıda bulunmuştur. Varşova’daki Elektronik Malzeme Teknolojisi Enstitüsü, malzemeyi silisyum karbürden üretmek için bir patente sahiptir. 2015 yılında, Polonya’daki Lodz Üniversitesi’nden araştırmacılar, sıvı fazdan yüksek kaliteli geniş formatlı levhaların üretilmesini sağlayan çığır açan bir HGSM teknolojisi geliştirdi.

Grafen güvenli mi?

Nispeten yeni bir malzeme olarak grafen, insan sağlığı üzerindeki olası etkileri bağlamında anlaşılabilir şüpheler uyandırıyor. Grafenin ince ve hafif yapısının kolayca akciğerlere girdiği ve toz ve hatta asbest lifleriyle kıyaslanabilir bir tehdit oluşturduğu iddiaları bile var. Çin araştırmaları, iki boyutlu karbon nanoparçacıklarının iç organlara yerleşebileceğini bile öne sürüyor. Grafenin yüzey ve yeraltı sularına girerek bitkiler ve hayvanlar için zararlı olabileceğine dair teorik bir risk de vardır. İnce parçacıklar su kütlelerinin kenarlarına yerleşebilir ve su sertlik seviyelerini artırabilir. Ancak mevcut bilgilere göre grafen toksik değildir ve tehlikeli maddelerle ilgisi yoktur. Miktarları ve dolayısıyla potansiyel maruz kalma da son derece düşük veya hatta ihmal edilebilir. Cilt ile temasında tahriş edici özellik göstermez. Ayrıca, uluslararası araştırmalar, inhalasyonun olumsuz immünolojik reaksiyonlara neden olmadığını göstermektedir. Bilimsel toplulukta, güvenliği de dahil olmak üzere grafenin özellikleri ve uygulamaları hakkında daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulduğu konusunda genel bir fikir birliği vardır. Bu, insanlar ve çevre üzerindeki uzun vadeli etkileri göz önünde bulundurarak yenilikçi materyali kullanma yöntemlerinin optimize edilmesini sağlayacaktır.