Malzeme bilimindeki baş döndürücü gelişmelerden birisi de, 2004 yılında Rus bilim adamları Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından keşfedilen ve her geçen gün farklı bir özeliği ortaya konan grafendir.
Grafen (Şekil-1a), karbon atomlarının altıgen olarak dizildiği bir bal peteği görünümünde, iki boyutlu karbon allotropudur. Allotrop, bir elementin atomlarının uzayda farklı dizilimiyle oluşan yapılardır.
Grafen, karbonun diğer allotropları olan grafit, fulleren ve karbon nanotübün yapıtaşını oluşturmaktadır. Grafit (Şekil-1b), grafen tabakalarının üst üste binmesi ile, fulleren (Şekil-1c), grafen tabakasının küresel formuna dönüştürülmesi ile, karbon nanotüp (Şekil-1d) ise silindir formuna dönüştürülmesiyle elde edilmektedir.
Şekil-1: Karbon Allotroplarının Moleküler Yapısı
Tek atom kalınlığında (metrenin on milyarda biri boyutunda) olan grafen, bilinen en ince, en hafif ve iki boyutlu tek malzemedir. Şeffaftır ve % 97-98 oranında ışık geçirgenliğine sahiptir.
Elektrik iletkenliği bakırdan çok daha yüksek olan grafen, elektriği iletebilen tek ametaldir. Ayrıca şu an bilinen en yüksek termal iletkenliğe sahip malzemedir. Sıcaklık direnci oldukça yüksektir (-75 – +200°C). Sert, çelikten 200 kat daha dayanıklı, fakat aynı zamanda esnek ve kolay bükülebilir özeliktedir (Şekil-2). Esnek olması, farklı malzemeler üzerine kaplanmasını mümkün kılmaktadır.
Şekil-2: Grafenin Fiziksel Özelikler Açısından Diğer Malzemelerle Karşılaştırılması
Elelektron hareketliliğinin çok hızlı olması grafeni elektronik devreler için silisyuma karşı alternatif malzeme haline getirmiştir. 2011 yılında ilk grafen içeren transistörün üretilmesi, grafenin süper hızlı bilgisayarlar, hızlı şarj yapabilen süper kapasitörler ve diğer elektronik araçlarda kullanımı için umut vaat etmektedir.
Atomları çok sıkı bir şekilde dizildiğinden, içinden en küçük atom olan helyum bile geçemez. Bu sıkı kafes yapısı, grafenin mükemmel bir sensör olmasını sağlamaktadır. Bütün hacminin kendisini çevreleyen dış ortama açık olması, yüzeyine tutunan moleküllerin hızlıca belirlenmesini sağlamaktadır. Gelecekte, grafen bazlı sensör ile tek bir gaz molekülünü dahi tespit etmek mümkün olabilecektir.
Grafen kimyasal olarak kararlı (inert) olduğundan, vücut içinde iyonik sıvılarda yapısı bozulmadan kalabilmektedir. Bu özeliği ile doku, organ gibi biyolojik yapıların ve ilaç salım sistemlerinin geliştirilmesinde önemli rol oynayacaktır. Ayrıca bu kararlı yapısından dolayı, metallerin yüzeyine kaplanarak metallerin korozyona karşı korunması sağlanabilecektir.
Grafen dört farklı yöntemle üretilebilmektedir. Bu yöntemler;
- Katman ayırma yöntemi (Exfoliation),
- Hidrokarbonların buhar fazı çöktürmesi (Epitaxial growth),
- Kimyasal buhar çöktürme (Chemical Vapour Deposition: CVD),
- Silisyum karbür (SiC)’ün termal bozunmasıdır.
Ancak bu yöntemlerle grafen üretimi, hem düşük miktarlarda, hem de yüksek maliyetlerde gerçekleşmektedir. Düşük maliyette ve yüksek kalitede seri üretimi için çalışmalar devam etmektedir. Grafenin önemli uygulama alanları aşağıda verilmiştir:
- Elektronik sistemler
- Tıp ve biyoteknoloji
- Çevre (atık arıtım sistemleri)
- Kompozit malzemeler
- Enerji depolama ve ısı sistemleri
- Optik sistemler
- Sensörler
- Temel bilimler alanındaki araştırmalar
- Nanoteknoloji
- Uzay ve Havacılık Teknolojisi
Grafenin askeri alandaki uygulamaları arasında kamuflaj, zırh teknolojileri ve sensörler ön sırada yer almaktadır.
Bilim çevrelerince, bulundukları ortamın rengini gerçek zamanlı olarak değiştirebilen grafen bazlı malzeme üzerine araştırmalar yapılmaktadır. Bu teknoloji ile askeri araçların radarda gerçek zamanlı olarak kamuflajı hedeflenmektedir.
Zırh teknolojilerinde kullanılabilecek malzemelerden birisi de grafen aerojel malzemedir (Şekil-3a). % 99 hava içeren süngersi yapıdaki malzeme, 1 cm2’lik alanında 1 tonluk darbeye dayanmaktadır (Şekil-3b).
Grafen aerojel malzeme, boyutunun % 5’ine kadar küçülebilmekte, elastik yapısı ile tekrar eski haline dönebilmekte ve bu işlem binlerce kez tekrarlansa da deformasyona uğramamaktadır. Bu malzeme ile askerler için özel giysiler, tank ve zırhlı araçlar için, füze, roket, bomba gibi ağır yıkıma sebep olan mühimmatlardan gelecek darbeyi soğurabilecek özel zırhlar üretilebilecektir.
Grafenin diğer bir askeri uygulaması da sensörlerdir. Grafenden yapılan sensörlerle savaş alanında kimyasal ajanların tespiti ve patlayıcıların belirlenmesi hedeflenmektedir.
Bu özellikleri değerlendirildiğinde, üzerinde yoğun araştırmalar yapılan grafenin sahip olduğu mükemmel özelikler sayesinde, gerek geleceğin askeri sistemlerinin gerekse günlük hayatın vazgeçilmez malzemesi olacağı görülmektedir.
KAYNAKÇA
- Arseven M. (2010). ‘‘Nanokarbon ve Formları’’, H.Ü.İleri Mlz.Arşt.Grp.
- Ghavanini F.A., Theander H. (2015). ‘‘Graphene Feasibility and Foresight Study For Transport İnfrastructures’’, Chalmers İdustriteknik.
- Gong,J.R. (2011). ‘‘Graphene, Synthesis, Characterisation, Properties and Applications’’
- http://www.aa.com, (Erişim Tarihi: 21.11.2016)
- http://www.açıkbilim.com, (Erişim Tarihi: 21.11.2016)
- http://www.webtekno.com, (Erişim Tarihi: 21.11.2016
Yorumlar