Dünya'nın En Hafif Katısı Grafen Aerojel Nedir?

Çinli bilim insanları, görselde görebileceğiniz Dünya'nın en hafif katısını imal ederek Guinness Rekorlar Kitabı'na girdiler. Genel olarak delikli yapılarıyla bilinen ve ultra hafif olan aerojel ailesinden olan bu kimyasalın adı Grafen olarak belirlendi. Grafen ile ilgili daha fazla bilgiyi buradaki yazımızdan alabilirsiniz.

Çin'in Zheijang Üniversitesi Polimer Bilimi ve Mühendisliği Bölümü laboratuvarlarından Prof. Dr. Gao Chao karbon nanotüpleri ve grafeni kullanarak bu ultra hafif malzemeyi ürettiklerini açıkladı. Bu yapı öylesine hafif ki, bir buğday başağının ya da çiçek yapraklarının sağladığı ufak tepki kuvvetiyle bile yerçekimine karşı gelebiliyor. Dolayısıyla bir başağın saçaklarını bile bükmeden dengede kalabiliyor. Bu özelliklerinden ötürü bu kimyasala katı duman adı verilmiş.

Wikipedia

Bunlara "aerojel" denilmesinin nedeni, içlerindeki por yapılarının (boşlukların) havayla dolu olmasıdır. İlk üretilen aerojel 1931 senesinde silikon dioksit kullanılarak üretilmiştir.

"Donmuş duman" ya da "katı hava" olarak da bilinen aerojellerin hacimce %99.98'i havadır. Genel olarak aerojeller, geniş bir malzeme grubudur ve sıra dışı özellikleriyle bilinirler. Malzeme bilimindeki katılar arasında bildiğimiz en düşük ısı iletkenliği katsayısına sahiplerdir, bilinen en düşük yoğunluklu yapısal malzemelerdir.

İsimlerine rağmen aerojeller "jel" değil, katıdırlar. İsimleri, üretim süreçlerinden gelmektedir. Üretimleri sırasında jelin sıvı kısmı süper-kritik kurutma denen bir işlemle malzemeden çekilir.

İlk aerojeller silisli jellerdir; ancak sonradan alüminyum, krom ve kalay dioksit temelli aerojeller de üretilebilmiştir.,

Lise Kimyasıyla Aerojeller

Size biraz da lise kimyasıyla üzerinde düşünebileceğiniz bilgiler verelim: Bu yeni aerojel ise öylesine hafiftir ki, Grafen aerojelinden üretilecek 1 metre küplük içi dolu bir kutu (her kenarı 1 metre olan bir kutu), sadece 160 gram olacaktır (20 tane 1 TL ağırlığında olacaktır). Bir diğer deyişle bu katının yoğunluğu 0.16 miligram/cm³'tür. Kıyaslama açısından havanın yoğunluğu 1.2 mg/cm³'tür (yani bu katı havadan 7.5 kat hafiftir). Aynı zamanda grafen aerojel, Dünya'daki en hafif element olan hidrojenden iki kat ağır olsa da, ikinci en hafif element olan ve 0.1786 mg/cm³ yoğunluğa sahip olan helyumdan hafiftir.

Üstelik bu madde oldukça esnektir de... Boyutlarının %20'si kadar gerilebilir, istenirse tamamen transparan olarak üretilebilir ve elektriği bakırdan daha iyi iletebilir.

Not: Aynı hacimdeki cisimlerden yoğunluğu küçük olan kütlece de daha hafiftir, yoğunluğu yüksek olan kütlece daha ağırdır.

IFLS

Grafenden Üretilen Şarap Şişesi Mantarı

Bir okurumuzun ilginç bir şekilde "Bu malzemeden şarap şişesi mantarı üretilseydi ne kadar ağırlıkta olurdu?" sorusu üzerine verdiğimiz cevabı da ekleyelim, belki kafanızda canlandırmanızı sağlar:

Eğer bir şarap şişesi mantarının taban çapını 3 santimetre, boyunu da 6 santimetre kadar alacak olursak (muhtemelen orjinal boyutlarına yakın olacaktır bunlar), hacmi yaklaşık 170 santimetreküp olacaktır. Bu durumda, bu malzemeden üretilecek olan şişe mantarı sadece 27 miligram olacaktır. 

Bunu fiziki olarak hayal etmeniz bile güç. Kullandığımız madeni 1 TL'nin 300 katı hafif olacaktır. 

Neden Havada Uçamıyor?

Söz konusu maddenin yoğunluğu mililitreküp başına 0.16 miligram civarında kütleyle havaya göre 6-7.5 kat daha az yoğundur; ancak buna rağmen havada uçamaz. Çünkü diğer ve sıradan maddeler için kullandığımız "yoğunluk" tanımı ile ultrahafif maddeler için kullanılan yoğunluk tanımı birebir uyumlu değildir. Örneğin tahta su üzerinde yüzebilir; çünkü tahtanın yoğunluğu sudan azdır. Benzer şekilde bir sıcak hava balonu uçabilir; çünkü balon içerisindeki hava, atmosferdeki havadan hafiftir. Bu durumda havadan 6 kat hafif olan ultrahafif maddeler neden uçamıyorlar?

Sorumuzun cevabı havanın kendisinde gizlidir. Ultrahafif maddelerin malzemesi sıkışık gibi gözükse de, bu dış görüntü aslında maddenin tam özelliklerini anlamamız konusunda bir yanılgıya neden olur. Çünkü ultrahafif maddelerin tamamı, katı değildir. Böylesi yapılar içerisinden havayı tamamen atmak neredeyse asla mümkün değildir. Yani ultrahafif madde içerisindeki çok sayıda delik (por), çok miktarda hava ile doludur. Dışarıdan bakıldığında bu porlar ve dolayısıyla içerisindeki hava gözükmez. Ancak maddenin içi havayla dolu olduğu için, havanın kendisi üzerinde süzülmesi mümkün olmamaktadır. Porların içerisindeki hava ile maddenin toplam ağırlığı, maddenin hacminden ötürü yer değiştirmeye zorladığı hava hacminden büyüktür. Bu sebeple madde havada uçamamaktadır. 

Maddelerin yoğunluğunu izah ederken kullandığımız "hacim başına düşen kütle" formülü hatalı algıya neden olabilmektedir. Ne yazık ki maddelerin dışarıdan görünen hacimlerinin tamamı, maddelerin kendisiyle kaplı değildir. İçlerinde eğer ki hava girebilecek porlar bulunuyorsa, maddelerin toplam yoğunluğuna bu havanın yoğunluğu da dahil edilmelidir. İşte bu sebeple ultrahafif maddelerin "kendisi" ultrahafif olsa da, onlardan üretilen ürünler şimdilik porlu oldukları için ultrahafif olamamaktadırlar. Yine de buna çok yakındırlar, çünkü malzeme o kadar hafiftir ki, içine dolan hava belki havada süzülmesine engel olsa da, fotoğrafta görüldüğü gibi bir buğday tanesinin saçakları üzerinde bile kolaylıkla durabilecek kadar hafiftir.

Uzmanlar cisimlerin birbirlerine göre ne kadar hafif olduklarını kıyaslamanın daha iyi bir yolu olarak "hacim yoğunluğu" kavramını önermektedirler. Hacim yoğunluğu, maddenin içerisindeki porların hacminin, maddenin kendi ağırlığına bölümüyle bulunur ve birimi gram başına santimetre küptür. Bu değeri büyük olan maddeler, küçük olanlara göre daha ağır olacaklarlardır. Küçük olanlar, büyük olanların üzerinde süzülebilecektir. Aerojellerin hava ile birlikte olan hacim yoğunlukları, havanın kendisinden fazladır ve bu nedenle uçamazlar.