Grafen Nedir: Malzeme Biliminin Nobel Ödüllü Başarısı!

Hepimiz kurşun kalem kullanmışızdır. Her ne kadar ismi "kurşun" kalem olsa da, aslında günümüzdeki kurşun kalemlerin "uçları" kurşundan değil, grafit adı verilen bir kimyasal maddeden yapılmaktadır. Grafit, karbon atomlarının altıgen düzende bir araya gelmesi sonucu oluşan maddeye deniyor. Bu şekildeki karbon, bildiğimiz en kararlı yapıdaki karbon düzenlenmesine sahiptir. Normalde grafit 3 boyutlu katmanlar halinde oluyor, hatta bu nedenle kurşun kalem uçlarını katmanlar halinde parçalamak mümkündür. Peki ya, bu katmanlardan sadece 1 tanesini alsaydık? İşte bunu yapmayı başardığımızda, karşımıza sıradışı bir malzeme çıkıyor: Grafen!

Grafen, grafitin tek katmanlı haline verilen isim. Yine altıgen şeklindeki karbon dizilimine sahip; ancak üç boyutlu yapısı sadece 1 atom yüksekliğinde. Aşağıda bunun neye benzediğini görebilirsiniz:

Wikipedia

Bunun çok katmanlı versiyonu olan grafit ise doğada şu şekilde görülmektedir:

Alaska Journal of Commerce

Grafite doğada rastlamamıza rağmen, grafene kolay kolay rastlamak pek kolay değildi. Aslında tek katmanlı bir altıgen dizilimde karbon dizisini bilim insanları uzun süredir "hayal ediyorlardı". Öyle ki, kimi zaman kurşun kalem üretimi sırasında yanlışlıkla grafen de üretiliyordu. 1962 yılında ilk defa elektron mikroskobu altında da incelendi; ancak o yıllarda grafeni izole edip kendi başına incelemek mümkün olmamıştı. Hep diğer metallerin bir parçası olarak gözlenebilmişti.

Nobel Ödüllü Bir Malzeme: Grafen

İşler, 2004 yılında Manchester Üniversitesi'nden Andre Geim ve Konstantin Novoselov'un grafeni adeta "baştan keşfetmesi" ile değişti. İkili, grafeni sadece izole etmekle kalmadı, aynı zamanda bütün karakteristik özelliklerini tanımlamayı başardı. Hem de ne özellikler! Novososelov bunu şöyle anlatıyor:

Dünyamız, bir avuç malzeme tarafından şekillendirilmektedir. Binalarımız, çeliğin gücü tarafından belirlenmektedir. Silikon, bilgisayarlarımızın çalışma prensiplerini dikte etmektedir. Alüminyum, uçaklarımızın neye benzeyeceğini belirlemektedir. Şimdiyse kompozit malzemeler hayatlarımızı iyileştirmeye başladı. Örneğin karbon fiber dayanıklılığında ama plastiklerin esnekliğinde malzemeler üretebiliyoruz. Grafen durumunda ise söz ettiğimiz şu: Kompozit malzemelerin en üst düzey reenkarnasyonu olan, iki boyutlu bir malzeme düşünün. Bunu, doğada bulunmayan üç boyutlu malzemelere dönüştürebiliyoruz ve bu malzemelerin özelliklerini atomik boyutta bile kontrol edebiliyoruz.

Wikipedia

Böylesine müthiş bir keşfin bilim camiası tarafından fark edilmemesi mümkün değildi. Gerçekten de, 2010 Nobel Fizik Ödülü, Konstantin Novoselov ile Andre Geim'e "iki boyutluı bir malzeme olan grafen alanındaki deneyleri" nedeniyle verildi.

Grafenin Özellikleri

Grafenin özelliklerini anlamak için şunu anlamak gerekiyor: Sanki tekil bir malzemeden bahsediyormuşuz gibi gelse de, aslında grafen geniş bir malzemeler grubudur. Bunu, "plastikler" gibi düşünün. Plastik dediğimizde hepimizin üç aşağı beş yukarı bir fikri olacaktır; ancak günümüzde yüzlerce farklı plastik bulunmaktadır. Grafen de aynen böyledir!

Grafen, hayal edebileceğiniz en ince malzemelerden birisidir. Bunun nedeni, iki boyutta çok sayıda atomu içermesine rağmen, üçüncü boyutta sadece bir katman karbon içeriyor olmasıdır. Bu sayede, bildiğimiz en üstün yüzey/ağırlık oranına sahip olabilmektedir. Yani birim ağırlığı başına düşen yüzey alanı aşırı yüksektir: Sadece 1 gram grafen ile koskoca bir futbol stadyumunu kaplamanız mümkün olurdu.

Bunların ötesinde grafen, bildiğimiz en güçlü, en sert, en esnetilebilir malzemelerden birisidir. Bunlar, grafenin sahip olduğu tüm özellikler bile değildir! Bu kadar çok "en"i bir arada barındırabilmesi, onun "mucize malzeme" olarak anılmasına bile neden olmuştur.

Grafen, Vaatlerini Yerine Getirdi mi?

Bilimde her yeni keşif ve icadın üç aşaması vardır: Abartı, hayal kırıklığı ve gerçeklenme. Grafen, 2019 yılı itibariyle abartı ve hayal kırıklığı evreleri arasında bir yerlerde bulunmaktadır. Malzeme muhteşem özelliklere sahip olmasına rağmen, halen herhangi bir devrim yaratabilmiş değildir. Andre Geim bunu şöyle izah ediyor:

1908 Nobel Kimya Ödülü'nün Ernest Rutherford'a verilme nedeni, nükleer santralleri icat etmiş olması değildi; atomik fiziğin ne kadar ilginç olduğunu göstermiş olmasıydı.

Dünya çapında 200'den fazla araştırma merkezi grafeni kullanarak yeni ürünler üretme çabası içerisinde. Bugüne kadar grafen ile ilgili on binlerce akademik makale yayınlandı.

Grafen üzerinde çalışmalar yürüten firmalardan birisi Samsung. Samsung tarafından yürütülen ve yaklaşık 50 adımdan oluşan bir grafen kullanım projesi çerçevesinde grafeni mobil uygulamalarda bol miktarda göreceğiz. Örneğin Samsung, her geçen gün esnek dokunmatik ekranlar konusunda ipuçları veriyor ve bu teknolojiyi mümkün kılan malzeme grafen!

IBM de grafeni araştırma projelerine hızla dahil etmiş firmalardan bir diğeri. Firma, grafen kullanarak 7 nanometreden küçük transistörlerin sınırlarını zorlamayı başardı. Üzerinden elektrik geçirilen grafen sayesinde transistör yapımında kullanılan nanomalzemeleri %97 isabetlilikle yerleştirmeyi başarabiliyor.

İsveç'teki Chalmers Üniversitesi'nde teknoloji profesörü Jari Kinaret şöyle diyor:

Grafenin transparan teknolojiler ve hem esnek hem de günümüzdekinden kat kat hızlı elektronik cihazlar alanında devrim yaratmasını bekliyoruz.

MIT'nin Technology Review dergisine konuşan Rice Üniversitesi profesörü James Tour ise şöyle diyor:

Eğer grafen vaadettiklerini teknoloji alanında gerçekleştirirse, iPhone'unuzu rulo yapıp bir kalem gibi kulağınızın arkasında saklamanız mümkün olacak.

Tabii grafenden faydalanması beklenen tek sektör mobil iletişim değil. Grafen, karbonfiberden 3-4 kat kadar daha güçlü olduğu için otomotiv ve havacılık sektöründe de kullanılması bekleniyor. Grafen, havacılıkta kanatların ana malzemesi haline gelebilir ve karbonfiberin yerini alabilir. Uçaklarda güvenlik ve direnç aşırı önemli olduğu için karbonfiber kullanımı yaygın; ancak otomotivde yaygın olarak görmeme nedenimiz karbonfiberin ucuz enjeksiyon yöntemiyle üretilemiyor olması. Ancak grafen bu şekilde üretilebilir! Bu da onu otomotiv için son derece kıymetli bir malzeme haline getiriyor.

"Mucize", Pratiğe Dökülürse Anlamlı...

Yine de birçok uzman grafenin "mucize malzeme" olarak görülmesine kuşkuyla yaklaşıyor. Örneğin alanda birçok çalışma yürüten IBM'den Dr. Phaedon Avouris, iddia edilenin aksine grafenin elektronik uygulamalarda silikonun yerini alacağını düşünmediğini belirtiyor:

Silikonun aksine grafende bant boşluğu dediğimiz elektronik özellik bulunmuyor. Yani grafen, elektrik geçirgenliğini durduramıyor. Bu da, elektronikteki uygulamalarını dikkate değer miktarda kısıtlıyor. Dolayısıyla grafen ile silikonu apayrı uygulamalar olarak görmek gerek.

Grafeni keşfeden Geim bile bu iddiaları abartılı buluyor: "Silikonun yerini alması bir hayal. Böylesi bir olasılık o kadar uzakta ki, şu anda böyle bir şeyi değerlendirmek bile mümkün değil."

Sorun, grafenin özelliklerinin sadece nano ölçekte gösterilebilmiş olması. Öyle ki, nano ölçekte tespit edilen özellikleri henüz mikro ölçekte gerçekleştirmek bile mümkün olmadı. Dolayısıyla grafenin daha alması gereken çok uzun bir yol bulunuyor.

Bir diğer problem de grafeni seri üretime geçirebilmek... Çünkü üretmeye çalıştığınız tek katmanlı bir malzeme ve bunu hızlı bir şekilde yapabilmek çok zor: hem aşırı malzeme gerekiyor, hem de bu malzemeden grafen üretmek çok masraflı. Bu da grafenin ana akım üretim malzemeleri arasına girmesine engel oluyor.

Grafen, Patentsiz Bir Malzeme!

"Patenti alınmayan müthiş icatlar" dendiğinde akla ilk gelen isim kuşkusuz çocuk felci aşısını patentlemeyip, "Güneşi patentleyebilir misiniz?" diyen Jonas Salk. Ancak grafen gibi müthiş bir keşfin de patentinin kaşifleri tarafından alınmaması sizi şaşırtabilir.

Wikipedia

Geim ve Novoselov'un patenti almama nedeni Salk'ınki kadar "asil" bir gerekçeye dayanmıyor. Geim, şöyle anlatıyor:

Bir gün bir konferansta büyük ve uluslararası bir firmayla etkileşme imkanım oldu. Kendilerine grafenden bahsettim ve patentimizi maddi olarak destekleyip destekleyemeyeceklerini sordum; çünkü bir patenti 20 yıl boyunca korumak aşırı masraflı bir iş. Adam suratıma baktı ve şöyle dedi: "Grafenin neler yapabileceğine bakıyoruz. Uzun dönemde faydaları olabilir. Eğer on sene sonra gerçekten vaadettiği kadar işe yarar olduğuna kanaat getirecek olursak, yüzlerce patent avukatına mesai yaptırarak her gün yüzlerce patent yazdıracağız. Siz ise ufak adanızın [İngiltere'den bahsediyor] milli hasılasını bizi dava etmeye çarçur edeceksiniz." Bu kibirli yorum beni düşündürdü. Daha bu evrede grafenin patentini almak, insanların vergilerini boşa harcamak olacaktı. Biz de almadık.