Gelişen teknoloji ile birlikte geçtiğimiz son on yılda ismini daha fazla duymaya başladığımız grafen maddesi, içerisinde güçlü kovalent bağlar barındıran karbon atomunun iki boyutlu ve bal peteği örgülü yapılarından bir tanesine verilen isimdir1 .Üzerinde yapılan çalışmalar çok uzun zamana dayansa da 2004 yılında Andre Geim ve Konstantin Novoselov isimli iki stajyerin şans eseri grafite bant yapıştırması ve elde ettikleri katmanlı maddeyi incelemeleriyle, 5 yıl süren grafenin yapısı ve özellikleriyle ilgili yaptıkları araştırmalar sonucu “İki Boyutlu Malzeme Grafen için Çığır Açan Deneyler” adlı eseri ortaya koydular. Bu eser ile 2010 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü kazandılar. Farklı özelliklerinin günden güne keşfedilmesi grafenin değerini de günden güne arttırdı. Akrabası olan üç boyutlu elmasa nazaran çok daha hafif ve güçlü olan grafen, aynı zamanda iyi bir elektrik iletkenidir.
Peki çelikten 100-150 kat güçlü olan grafenin gücünün arkasında yatan şey nedir? Bu sorunun cevabını yapısında bulunan güçlü kovalent bağları şeklinde verebiliriz. Çok da uzak olmadığımız ve günlük hayatımızda sıkça karşılaştığımız kömür de aynı şekilde karbon atomlarından oluşuyor. Peki nasıl aynı atomlardan oluşan bu iki maddelerden biri 2 boyutlu, diğeri 3 boyutlu olabiliyor? Sağlamlıkları ve fiziksel özellikleri nasıl bu kadar değişkenlik gösterebiliyor?
Bu konuda grafenin sahip olduğu bal peteği yapısının ona sağlamlık konusunda oldukça katkı sağladığını söyleyebiliriz. Grafen, kendi içlerinde güçlü kovalent bağlarına sahip bal peteği tabakaları bulundurur. Grafitte ise Bu tabakalar arasında Van der Waals etkileşimleri bulunur. Bu yüzden tabakalar arasındaki kuvvet azalır. Günlük hayattan aşina olduğumuz kurşun kalemlerin ucunda kullanılan grafit maddesi, belirli katmanları arasındaki güçlü bağ ve katmanlar arasında zayıf bağlanma sonucu kolayca kırılabilen bir yapıya sahiptir. Aslında kurşun kalemlerin yazma mantığı da bu temele dayanmaktadır. Katmanlar arasında zayıf bağlanma sonucu kalemi sürdüğümüz zeminde grafiğin maddesinden bir iz bırakmış oluyoruz. Yani senelerce farkında olmadan üç boyutlu maddeyi iki boyuta çevirdiğimizi de söyleyebiliriz.
Görsel 1: Grafenin Yapısı.
Grafenin hafifliği, çelikten daha sağlam olması, elektrik iletkenliği, saydamlığı gibi güçlü özellikleri bir arada tutan bir madde olması sebebiyle gelişmiş ülkelerdeki endüstriyel firmalar, grafeni farklı alanlarda kullanmak üzerine çalışmalar yapmaktadır. Bilgisayarlarda ve tabletlerde kullanılan mikroçipler ve işlemcilerde artık nanometrik boyutlarının sınırlarına ulaşılan silikon maddesi yerine grafinin kullanılması teknolojik açıdan büyük yeniliklere sebep olmuştur.
Görsel 2:
Modern ve gelişmiş dünyamızın en büyük sorunlarından biri olan pil ömrü de grafenin çalışma alanlarından biridir. Halihazırda elektrikli otomobillerdeki belirli bir kilometreyi gitmek için gerekli şarj miktarlarını hepiniz duymuşsunuzdur. Kullanılan lityum-iyon pillerinin kapasitelerinin yetersizliği sonucu burada da grafen devreye giriyor. Yaklaşık 4 yıl önce Çinli bir firma dünyanın ilk full-grafen pilini yaptı. Pilin iç teknolojisinde kullanılan süper kapasitörler, sıradan bir kondansatörden daha yüksek akışları ileten depolama cihazlarıdır. Ayrıca bakımı diğer pillerden daha kolay olduğundan çok daha uzun ömürlüdür2 . Grafenden yapılan bataryalar sayesinde akıllı telefonları saniyeler içerisinde şarj edip haftalar boyunca kullanabilmek gibi konular gündemde. Bunun dışında grafen, radyoaktif atıkların daha kolay temizlenebilmesi, hızlı flash hafızalar, su geçirmeyen kıyafetler, daha sağlam ve hafif uçaklar ve koruma ekipmanları gibi birçok alanda üzerinde çalışılan bir maddedir. Sahip olduğu özellikler ile geleceğin teknolojisine yön vermeye devam etmektedir.
Dünya tarihi boyunca gelip geçen salgın hastalıklar gibi hayatımızı saran ve etkisi altına alan koronavirüs pandemisi de teknoloji alanlarında virüsün yayılmasına karşın ne gibi çözümler bulunabileceği konusunda çalışmalar başlatılmasına sebep oldu. Bu çalışmalar sonucunda, Covid-19’un plastikte 72 saat boyunca tutunduğu, paslanmaya dayanıklı bir çelikte 48 saat boyunca tutunduğu, bakır kaplamalarda ise 4 saat boyunca virüsle karşılaşılabildiği düşünüldüğünde, bu yüzeylere kıyasla grafen kaplamaları yüzeylerin çok daha az bir süre koronavirüsü barındırdığı sonucuna ulaşılmıştır3 .Virüsün yüzeylerde tutunabilmesinin toplumsal hayatı büyük ölçüde etkilediğini ve bulaş riskini büyük ölçüde arttırdığı göz önüne alındığında grafene dayalı ürünlerin kullanımı ya da grafen kaplamalı yüzeylerin toplumsal alanlarda etkin kullanımının koronavirüsün yayılmasını engellemekte azımsanmayacak bir fayda sağlayacağı sonucuna varabiliriz.
Görsel 3: Koronavirüs de dahil olmak üzere virüslerde yüzey iletiminin sabitlenmesinde gr-metal iyon kaplı yüzeylerin rolü.
Metin Kaynakçası
1-Lü Kui, ZHAO GuiXia2 & WANG XiangKe, A brief review of graphene-based material synthesis and its application in environmental pollution management, (2012)
2-Liu, C., Yu, Z., Neff, D., Zhamu, A., & Jang, B. Z, Graphene-Based Supercapacitor with an Ultrahigh Energy Density. Nano Letters, . (2010). 10(12), 4863–4868. doi:10.1021/nl102661q
3-N. Van Doremalen, T. Bushmaker, D.H. Morris, M.G. Holbrook, A. Gamble, B.N. Williamson, A. Tamin, J.L. Harcourt, N.J. Thornburg, S.I. Gerber, N. Engl. J. Med., Aerosol and Surface Stability of SARS-CoV-2 as Compared with SARS-CoV-1,
Görsel Kaynakçası
1-T. Shihua, New East New Materials to Mass Produce Graphene Ink Products, 2019
2,3-Graphene technology enables fully flexible NFC antennas, 2016
Kapak Görseli: https://www.graphenanosmartmaterials.com/en/graphene-graphenano-inside/
