Grafen Nedir? İşte Bilmeniz Gerekenler

daha fazla okuma

• Suyu filtrelemekten akıllı boyaya kadar grafenin dokuz muhteşem kullanımı
• Hyperloop nedir? İşte bilmeniz gereken her şey

Bugün yeni bir malzeme geleceği değiştirme potansiyeline sahip. "Süper malzeme" olarak adlandırılan grafen, dünya çapındaki araştırmacıların onu daha iyi anlamak için çabalamasına neden oluyor. Grafenin uzun mucizevi özellikler listesi onu neredeyse sihirli gibi gösteriyor ancak fiziğin ve mühendisliğin geleceği için çok gerçek ve ciddi etkileri olabilir.

Grafen tam olarak nedir?

Grafeni tanımlamanın en basit yolu, kurşun kalemde kullanılan yumuşak, pul pul malzeme olan tek, ince bir grafit tabakası olmasıdır. Grafit, karbon elementinin bir allotropudur, yani aynı atomlara sahiptir ancak farklı şekilde düzenlenmişlerdir ve malzemeye farklı özellikler verir. Örneğin, hem elmas hem de grafit karbonun formlarıdır, ancak son derece farklı doğalara sahiptirler. Elmaslar inanılmaz derecede güçlüdür, grafit ise kırılgandır. Grafenin atomları altıgen bir düzende düzenlenmiştir.

İlginçtir ki, grafen grafitten izole edildiğinde bazı mucizevi özellikler kazanır. Sadece bir atom kalınlığında olan bu madde şimdiye kadar keşfedilen ilk iki boyutlu malzemedir. Buna rağmen grafen aynı zamanda bilinen evrendeki en güçlü malzemelerden biridir. 130 GPa (gigapaskal) çekme mukavemeti ile çelikten 100 kat daha güçlüdür.

Grafenin bu kadar ince olmasına rağmen sahip olduğu inanılmaz güç, onu muhteşem kılmak için zaten yeterli ancak benzersiz özellikleri bununla sınırlı değil. Aynı zamanda esnek, şeffaf, son derece iletken ve çoğu gaz ve sıvıya karşı görünüşte geçirimsizdir. Grafenin üstün olmadığı hiçbir alan yokmuş gibi görünüyor.

Grafenin tarihi: Bir rulo bant ve bir rüya

Grafit uzun zamandır bilinen bir miktardır (insanlar onu Neolitik çağdan beri kullanmaktadır). Atomik yapısı iyi bir şekilde belgelenmiştir ve bilim adamları uzun bir süre boyunca grafitin tek katmanlarının izole edilip edilemeyeceği üzerinde kafa yormuşlardır. Ancak yakın zamana kadar grafen yalnızca bir teoriydi; çünkü bilim insanları grafiti tek, atom inceliğinde bir tabakaya ayırmanın mümkün olup olmayacağından emin değildi. İlk izole edilmiş grafen örneği 2004 yılında Manchester Üniversitesi'nden Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından keşfedildi. Masalsı maddeyi devasa, pahalı bir makine kullanarak izole etmeleri beklenebilir ama kullandıkları alet eğlenceli derecede basitti: Bir rulo bant.

Araştırmacılar, büyük bir grafit bloğunu cilalamak için bant kullanırken bant üzerinde olağanüstü ince pullar fark ettiler. Grafit pullarından katman katman soymaya devam ederek sonunda mümkün olduğu kadar ince bir numune ürettiler. Grafen bulmuşlardı. Keşif o kadar tuhaftı ki, bilim dünyası ilk başta şüpheciydi. Popüler dergi Doğa hatta deneyle ilgili makalelerini iki kez reddettiler. Sonunda araştırmaları yayınlandı ve 2010 yılında Geim ve Novoselov, keşiflerinden dolayı Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.

Potansiyel uygulamalar

Eğer grafen birçok üstün özelliğinden yalnızca birine sahip olsaydı, potansiyel kullanımları konusunda yoğun araştırmalara konu olurdu. Pek çok açıdan dikkat çekici olan grafen, bilim insanlarına malzeme için tüketici teknolojisi ve çevre bilimi gibi çok çeşitli alanlarda geniş bir kullanım alanı bulma konusunda ilham verdi.

Esnek elektronikler

Grafen, güçlü elektriksel özelliklerinin yanı sıra oldukça esnek ve şeffaftır. Bu, onu taşınabilir elektroniklerde kullanım için çekici kılmaktadır. Akıllı telefonlar ve tabletler grafen kullanılarak çok daha dayanıklı hale gelebilir, hatta belki kağıt gibi katlanabilir. Giyilebilir elektronik cihazların popülaritesi son zamanlarda giderek artıyor. Grafen ile bu cihazlar daha da kullanışlı hale getirilebilir; uzuvların çevresine tam oturacak ve çeşitli egzersiz türlerine uyum sağlayacak şekilde bükülebilecek şekilde tasarlanabilir.

Ancak grafenin esnekliği ve mikroskobik genişliği, yalnızca tüketici cihazlarının ötesinde fırsatlar sunuyor. Biyomedikal araştırmalarda da faydalı olabilir. Grafenden, insan vücudunda kolayca ve zarar vermeden hareket edebilen, dokuyu analiz edebilen ve hatta belirli bölgelere ilaç gönderebilen küçük makineler ve sensörler yapılabilir. Karbon zaten insan vücudunda çok önemli bir bileşendir; eklenen biraz grafen zarar vermeyebilir.

Güneş pilleri/fotovoltaik

Grafen hem oldukça iletken hem de şeffaftır. Bu nedenle güneş pillerinde malzeme olarak büyük potansiyele sahiptir. Tipik olarak güneş pilleri, bir foton malzemelere çarptığında yük üreten ve serbest bir elektronu serbest bırakan silikon kullanır. Silikon kendisine çarpan foton başına yalnızca bir elektron serbest bırakır. Araştırmalar, grafenin kendisine çarpan her foton için birden fazla elektron salabildiğini gösterdi. Bu nedenle grafen güneş enerjisini dönüştürmede çok daha iyi olabilir. Çok geçmeden daha ucuz, daha güçlü grafen hücreleri yenilenebilir enerjide büyük bir artışa neden olabilir.

Grafenin fotovoltaik özellikleri aynı zamanda kameralar gibi cihazlar için daha iyi görüntü sensörleri geliştirmek için kullanılabileceği anlamına da geliyor.

Yarı iletkenler

Yüksek iletkenliği nedeniyle grafen, yarı iletkenlerde bilginin yayılma hızını büyük ölçüde artırmak için kullanılabilir. Yakın zamanda Enerji Bakanlığı, yarı iletken polimerlerin, bir grafen tabakasının üzerine yerleştirildiğinde, bir silikon tabakasına kıyasla elektriği çok daha hızlı ilettiğini gösteren testler gerçekleştirdi. Bu, polimer daha kalın olsa bile geçerlidir. 50 nanometre kalınlığındaki bir polimer, bir grafen katmanının üstüne yerleştirildiğinde, 10 nanometrelik polimer katmanından daha iyi bir yük iletti. Bu, bir polimerin ne kadar ince olursa yükü o kadar iyi iletebileceğini savunan önceki görüşe ters düşüyordu.

Grafenin elektronikte kullanımının önündeki en büyük engel, bant aralığının olmaması, yani bir malzemede değerlik ve iletim bantları arasındaki boşluk, çaprazlandığında elektrik akımının akışına izin veriyor. Bant aralığı, silikon gibi yarı iletken malzemelerin transistör olarak işlev görmesine olanak tanıyan şeydir; Elektronlarının bant aralığı boyunca itilip itilmemesine bağlı olarak, bir elektrik akımını yalıtmak veya iletmek arasında geçiş yapabilirler.

Araştırmacılar grafene bant aralığı vermek için çeşitli yöntemleri test ediyorlar; Başarılı olursa bu, grafenle yapılmış çok daha hızlı elektroniklerin üretilmesine yol açabilir.

Su filtrasyonu

Grafenin sıkı atomik bağları onu neredeyse tüm gazlar ve sıvılar için geçirimsiz kılar. İlginç bir şekilde su molekülleri bir istisnadır. Diğer gazların ve sıvıların çoğu buharlaşamazken su grafen yoluyla buharlaşabildiğinden, grafen filtreleme için olağanüstü bir araç olabilir. Manchester Üniversitesi'ndeki araştırmacılar grafenin alkolle geçirgenliğini test etti ve şunu başardılar: Sadece numunelerdeki su geçebildiğinden, çok güçlü alkollü içki numunelerini damıtın. grafen.

Elbette grafenin filtre olarak kullanılması, daha güçlü alkollü içeceklerin damıtılmasının ötesinde bir potansiyele sahiptir. Grafen ayrıca suyun toksinlerden arındırılmasında da son derece yararlı olabilir. Royal Society of Chemistry tarafından yayınlanan bir çalışmada araştırmacılar, oksitlenmiş grafenin bile Suda bulunan uranyum ve plütonyum gibi radyoaktif maddeleri çekerek sıvıyı serbest bırakır. kirleticiler. Bu çalışmanın sonuçları çok büyük. Nükleer atıklar ve kimyasal akıntılar da dahil olmak üzere tarihteki en büyük çevresel tehlikelerden bazıları, grafen sayesinde su kaynaklarından temizlenebilir.

Aşırı nüfus dünyanın en acil çevresel kaygılarından biri olmaya devam ettikçe, temiz su kaynaklarının korunması daha da önemli hale gelecektir. Aslında su kıtlığı dünya çapında bir milyardan fazla insanı etkiliyor ve bu sayı mevcut eğilimler göz önüne alındığında artmaya devam edecek. Grafen filtreleri, su arıtımını iyileştirme ve mevcut tatlı su miktarını artırma konusunda muazzam bir potansiyele sahiptir. Aslında Lockheed Martin yakın zamanda "Perforene" adında bir grafen filtresi geliştirdi ve şirket bunun tuzdan arındırma sürecinde devrim yaratabileceğini iddia ediyor.

Mevcut tuzdan arındırma tesisleri, deniz suyundaki tuzu filtrelemek için ters ozmoz adı verilen bir yöntem kullanıyor. Ters ozmoz, suyu bir membrandan geçirmek için basınç kullanır. Büyük miktarlarda içilebilir su üretmek için, ilgili basınç çok büyük miktarda enerji gerektirir. A Lockheed Martin mühendisi iddiaları Perforene filtreleri enerji gereksinimlerini diğer filtrelere göre yüz kat daha az azaltabilir.

MIT “nanogözenekli” grafeni yarattı

Filtrasyon, grafenin en belirgin kullanım alanlarından biridir ve MIT mühendisleri, grafenin molekülleri ayırma yeteneğini mükemmelleştirme konusunda büyük ilerlemeler kaydetti. 2018'deMIT'den bir ekip, grafen tabakalarında küçük, "iğne deliği" delikler oluşturacak bir yöntem buldu. MIT araştırmacıları grafen üretmek için “rulodan ruloya” yaklaşımını kullanıyor. Kurulumları iki makaradan oluşur: Bir makara, bir bakır levhayı, 100 dereceye kadar ısıtıldığı bir fırına besler. Uygun sıcaklıkta, daha sonra mühendisler metan ve hidrojen gazını ekliyor, bu da esasen grafen havuzlarına neden oluyor oluşturmak üzere. Grafen filmi fırından çıkar ve ikinci makaraya sarılır.

Teorik olarak bu işlem, ticari uygulamalar için çok önemli olan büyük grafen tabakalarının nispeten kısa bir sürede oluşturulmasına olanak tanır. Araştırmacılar, grafenin mükemmel şekilde oluşmasını sağlamak için süreçte ince ayar yapmak zorunda kaldılar ve ilginç bir şekilde, bu süreçteki kusurlu girişimler daha sonra faydalı oldu. MIT ekibi grafen içinde gözenekler oluşturmaya çalışırken, bunları oymak için oksijen plazmasını kullanmaya başladılar. Bu sürecin zaman alıcı olduğu ortaya çıktığından daha hızlı bir şey istediler ve çözüm için önceki deneylerine baktılar. Grafenin büyümesi sırasında sıcaklığı düşürerek gözeneklerin oluşmasını sağladılar. Geliştirme sürecinde kusur olarak görünen şey, gözenekli grafen oluşturmanın yararlı bir yolu haline geldi.

Süperiletkenlik

Çok vakit geçmeden Cambridge'deki bilim adamları gösterdi MIT'deki araştırmacılar, grafenin praseodimyum seryum bakır oksit ile eşleştirildiğinde süper iletken (elektrik direnci olmayan bir malzeme) gibi davranabileceğini gösterdi keşfetti Bir başka şaşırtıcı özellik: Görünüşe göre doğru konfigürasyonda tek başına bir süperiletken olarak işlev görebilir. Araştırmacılar iki dilim grafeni üst üste dizdiler ancak bunları 1,1 derecelik bir açıyla kaydırdılar. Nature'da yayınlanan bir rapora göre, "Massachusetts Enstitüsü'nden Fizikçi Pablo Jarillo-Herrero Cambridge'deki Technology (MIT) ve ekibi, tesislerini kurduklarında süperiletkenlik aramıyorlardı. deney. Bunun yerine, sihirli açı olarak adlandırılan yönelimin grafeni nasıl etkileyebileceğini araştırıyorlardı.”

Keşfettikleri şey, dengesiz grafen yığınından elektriği çalıştırdıklarında, bunun bir süperiletken olarak işlev görmesiydi. Bu basit elektrik uygulama süreci, grafenin incelenmesini benzer bir sınıfa göre daha kolay hale getirir. süper iletkenler, kupratlar, ancak bu malzemeler çok daha yüksek düzeyde süper iletkenlik gösterir sıcaklıklar. Süperiletkenlik sergileyen çoğu malzeme bunu yalnızca mutlak sıfır sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta yapar. Bazı sözde "yüksek sıcaklık süperiletkenleri", nispeten yüksek olan 133 Kelvin (-140 Santigrat) civarındaki sıcaklıklarda süperiletkenlik sergileyebilir; Yeterli basınç altında hidrojen sülfür bu özelliği gösterir. mucizevi bir -70 santigrat derece!

Grafen düzenlemesinin mutlak sıfırın 1,7 derece üzerine kadar soğutulması gerekiyordu, ancak araştırmacılar davranışının kupratlarınkine benzer olduğunu düşünüyor ve bu nedenle bunun, hala büyük anlaşmazlıkların olduğu bir alan olan alışılmadık süperiletkenliği incelemek için çok daha kolay bir materyal olacağını umuyorlar. fizikçiler. Süperiletkenlik tipik olarak yalnızca bu kadar düşük sıcaklıklarda meydana geldiğinden, süperiletkenler yalnızca MRI makineleri gibi pahalı makinelerde kullanılır, ancak Bilim adamları bir gün oda sıcaklığında çalışan ve soğutma ihtiyacını ortadan kaldırarak maliyetleri düşürecek bir süper iletken bulmayı umuyorlar birimler.

İçinde 2019'da yayınlanan bir çalışmaAraştırmacılar, grafen katmanlarının belirli "sihirli" açılarda bükülmesinin, eskisinden daha düşük sıcaklıklarda nasıl süper iletken özellikler üretebileceğini gösterdi.

Sivrisinek savunması

Çok az yaratık, kaşıntılı ısırıkları ve sıtma gibi korkunç hastalıkları yayma eğilimleriyle sivrisinek kadar iğrençtir. Neyse ki Brown Üniversitesi'ndeki araştırmacılar grafen kullanarak olası bir çözüm buldular. Araştırma, 2019 yılında yayınlandı, cilt üzerindeki grafen filminin yalnızca sivrisineklerin ısırmasını engellemekle kalmayıp, hatta onları ilk etapta cilde konmasını da engellediğini gösteriyor. Olası bir açıklama, grafenin sivrisineklerin avın kokusunu almasını engellemesidir.

Grafen araştırmasının geleceği

Grafenin sonsuz gibi görünen güçlü yönleri göz önüne alındığında, onu her yerde görmeyi bekleyebiliriz. Peki grafen neden geniş çapta benimsenmedi? Çoğu şeyde olduğu gibi bunda da mesele paradır. Grafenin büyük miktarlarda üretilmesi hâlâ son derece pahalı olduğundan seri üretim gerektiren herhangi bir üründe kullanımı sınırlanıyor. Dahası, büyük grafen tabakaları üretildiğinde, malzemede küçük çatlakların ve diğer kusurların ortaya çıkma riski artar. Bilimsel bir keşif ne kadar inanılmaz olursa olsun başarıyı her zaman ekonomi belirleyecektir.

Üretim sorunları bir yana, grafen araştırmaları hiçbir şekilde yavaşlamıyor. Grafenin ilk keşfedildiği Manchester Üniversitesi de dahil olmak üzere dünyanın her yerindeki araştırma laboratuvarları, grafen oluşturma ve kullanmanın yeni yöntemleri için sürekli olarak patent başvurusunda bulunuyor. Avrupa Birliği, 2013 yılında elektronikte kullanılmak üzere grafen araştırmalarına fon sağlayacak olan amiral gemisi programı için finansmanı onayladı. Bu arada Asya'daki büyük teknoloji şirketleri de aralarında Samsung'un da bulunduğu grafen üzerine araştırmalar yürütüyor.

Devrimler bir gecede gerçekleşmez. Silikon 19. yüzyılın ortalarında keşfedildi, ancak silikon yarı iletkenlerin bilgisayarların yükselişine zemin hazırlaması neredeyse bir yüzyıl aldı. Neredeyse efsanevi nitelikleriyle grafen, insanlık tarihinin bir sonraki çağını yönlendiren kaynak olabilir mi? Sadece zaman gösterecek.

Editörlerin Önerileri

• En iyi ışık terapisi lambaları
• Cihazlarınızın ömrü ne kadar olmalı?
• Telefonunuz veya tabletiniz için en iyi solar şarj cihazları
• Teknoloji dünyasını değiştiren 17 Siyah mucit
• En iyi sağlık ve fitness aletleri