Grafen nedir? Kullanım alanları, üretimi, grafen pil ve aerojel

Grafen nedir? Grafen, karbon atomlarının bal peteği gibi dizilmesiyle oluşan bir maddedir. Bu iki boyutlu dizilimin keşfi çığır açıcı kabul ediliyor. Öyle ki maddeyi keşfeden Andre Geim ve Konstantin Novoselov 2010'da Nobel Fizik Ödülü aldılar. Uzay çağının kapılarını aralayan grafenin kullanım alanlarına, üretimine, grafen pile ve aerojele değinelim.

Grafen hakkında tüm bilgiler

İki boyutlu bir madde olan grafen, evrendeki üç boyutlu maddelere kıyasla farklıdır. Başta grafite benzetilebilir ancak grafitte karbonlar üç boyutlu dizilime sahipler. Bu materyal üzerinde yapılan çalışmalar ilk kez evrende iki boyutlu maddelerin ne tür davranışlara sahip olduğunu anlamamızı sağladı. Peki özelliği ve önemi nedir?

Grafen
Grafen ile yapılan bir güneş paneli normalden 30 kat fazla enerji depoluyor

En iyi elektriksel iletkenliğe sahip madde

Söz konusu petek dizilimi elektriğin çok hızlı iletilmesini sağlıyor. İyi iletkenliğe sahip materyaller genellikle metaldir. Ancak grafen bir karbon ve dolayısıyla metal gibi davranmıyor. Bu durum günümüzde metal iletkenlerin yetersiz kaldığı noktalarda bayrağı grafenin devralacağını gösteriyor.

Minik süper bilgisayarlar ve transistörler yapılmasını mümkün kılıyor. Silikonun aksine, küçüldükçe elektrik akımı kaçırmıyor ve verimi yükseliyor. Dahası yapıldığı elektronik cihazlar çok az güçle çalışabiliyor. Saydam, kuvvetli ve esnek yapıda.

Göreceli kuantum mekaniklerini mümkün kılıyor

Kuantum elektrodinamiğinin nasıl çalıştığını anlamamıza yardımcı oluyor. Bugüne kadar Dirac parçacıklarını gösteren bir madde bulmak mümkün olmamıştı. Grafen bunu başarıyor ve dahası bu madde altın ya da elmas gibi nadir değil.

Grafen aerojel havadan 7 kat daha hafif

Grafenin özellikleri

  • Kelime itibariyle altıgen dizilimli karbon atomlarından oluşan tek katmanlı tabaka anlamına gelir. Ancak madde farklı katmanlara da sahip olabiliyor. Örneğin, çift katmanlı (bilayer) ya da çok katmanlı (multilayer) formları vardır.
  • Elmasa benzer şekilde karbon allotropudur. Atomlarının arasında 0.142 nm molekül bağ uzunluğu var ve sp2 ile bağlılar.
  • Kendisini önemli yapan noktalardan ilki çelikten ortalama 200 kat daha güçlü olması. Ardından en iyi iletken olması gelir (bakırdan iyidir) ve son olarak esnektir.
  • Bilinen en ince ve en hafif maddedir. 1 metre karesi sadece 0.0077 gramdır. Buna rağmen 4 kiloya kadar yük taşıyabilir.
  • Saydamdır.

Materyalin kullanım alanları henüz yeni keşfediliyor. Potansiyel olarak geliştirilebilecek teknolojiler arasında şunlar var:

  • Ultra hızlı şarj olan piller.
  • Radyoaktif atıkların daha hızlı toplanması.
  • Daha hızlı çalışan bilgisayar bellekleri.
  • Tenis raketleri gibi daha güçlü ve dengeli malzeme ve alet yapımı.
  • Kırılmaz bir malzemeye yapıştırılabilen ultra ince dokunmatik ekranlar.
  • Elektronik kağıt (e-kağıt).
  • Kan şekeri, kolesterol ve hatta DNA'nızı ölçebilen biyosensör cihazlar.
  • Olağanüstü frekans tepkisine sahip kulaklıklar.
  • Pillerin yerini alacak süper kapasitörler.
  • Üstün su geçirmez kaplamalar.
  • Bükülebilir piller.
  • Daha güçlü ve daha hafif uçaklar ve zırhlar.
  • Canlılarda daha hızlı doku yenilemesi.
  • Tuzlu suyu içme suyuna saflaştırmak.
  • Vücuttaki nöronlara bağlanabilen biyonik cihazlar.

Üretimi

Magmatik kayalarda ve gök taşlarında bulunur. Kuvars, kalsit, mika ve turmalin gibi minerallerde bir miktar rastlanır. Bu maddeyi ihraç eden başlıca ülkeler arasında Çin, Meksika, Kanada, Brezilya ve Madagaskar var. Ancak laboratuvar üretimi de mümkün.

İLGİLİ:  Antimadde nedir? Önemi, özellikleri, üretimi ve kullanımı

Grafen üretimi epitaksiyel denilen formda gerçekleşir. Silisyum karbürden yapılmaktadır. Silisyum karbürün ayrışmasıyla ortaya çıkan grafen tabakasının büyütülmesi oldukça karmaşık bir süreçtir. Silikon yüksek sıcaklıkta süblime ediliyor ve bu yapılırken reaktif atmosfer denilen, açık havadan farklı özel bir atmosferden yararlanılıyor. Yeterli genişlikte üretmek şu aşamada çok zor ve pahalı.

Grafen aerojel

Çinli materyal bilimciler 2013'te grafen aerojeli ürettiler. Bilinen en hafif katıdır ve metreküp başına 160 gram gelir. Helyum gazından daha az yoğundur. Havadan yedi kat daha hafiftir. Hidrofobik özellikleri yağı emmesini mümkün kılıyor. Emme kapasitesi çevre temizliği için üretilen ticari materyallerden 100 kat daha yüksek. Geniş yüzey alanı ve iletkenliği, aerojeli enerji depolamak için de uygun yapıyor. Grafen aerojel ile yapılan bataryalar hem çok küçükler hem de yüksek enerji depoluyorlar.

Yazımız burada son buldu. Daha fazla içerik için bu bağlantıyı takip edebilirsiniz: https://evrenatlasi.org/k/bilim-teknoloji/

Burcu Kara tarafından

Genellikle modern tarih, yakın tarih ve popüler bilim üstüne içerikler üretiyor. Özel ilgi alanları arasında Kuzey Afrika ve Güney Amerika'nın sömürge tarihi ve Avrupa'daki eski monarşiler yer alıyor.