Maddeler katı haldeyken, kendilerini oluşturan atomlar üç boyutlu uzayda tekrar eden bir şekilde dizili hale gelebilir. Fizikte bu yapılara kristal denmektedir. Kristallerin, düzensiz maddelerden oldukça farklı özellikleri vardır. Tekrar eden yapılardan oluştukları için, birim hücrelere indirgenip incelenebilirler. Bu özellikler yıllar içerisinde yarı iletkenlik, süper iletkenlik gibi çığır açan yeni teknolojilerin bulunmasını sağlamıştır.

Periyodik Tablonun 6 numaralı elementi  Karbon (C) eşsiz özelliklere sahip bir elementtir. Karbon  elementini oluşturan C atomları en dış yörüngelerindeki elektronlarını ortaklaşa kullandıkları kovalent bağlarla birbirlerine bağlanarak, uzayda çok farklı şekillerde dizilebilmektedir. C atomlarının uzay dizilişindeki farklılık, fiziksel özellikleri birbirinden farklı ‘Karbonlar’ elde etmemizi mümkün kılar. Bunlara karbonun allotropları adı verilir.

Grafen, özellikle son zamanlarda üzerinde oldukça konuşulan konulardan birisi. Karbon atomlarının farklı dizilişleri sonucunda birbirinden farklı yapılar oluşur. Elmasta ve grafitte olduğu gibi grafen bir karbon allotropudur. Grafen, sp, sp2, ve sp3 hibritleşmesi yapabilen karbon elementinin bir allotropu olan grafitin tek bir tabakasına verilen isimdir. İlk olarak 1994 yılında Boehm, Setton ve Stumpp tarafından grafen ismi literatüre kazandırılmıştır. Grafen tabakasındaki C atomları, komşu üç C atomu ile sp2 hibritleşmesi yaparak σ bağı oluşturur. Arda kalan pz orbitalleri π bağı oluşturur. π bağları grafen tabakasında elektrik iletimini sağlayan valans elektronlarını içermektedir.

Grafen üstün fiziksel özelliklere sahiptir. Günümüze kadar ölçülebilen en dayanımlı malzeme olan grafen, çelikten 100 kat daha dayanımlıdır. Young Modülü 1 TPa ve Çekme dayanımı 130 GPa’dır. Termal iletkenliği 5000 ?/??‘dir. Teorik özgül yüzey alanı 2630 ?²/?’dır. 2 boyutlu malzeme olmasından dolayı ambipolar elektrik özellikleri ve kuantum Hall etkisi grafenin mükemmel derecedeki elektriksel özelliklerinin açıklamasıdır. Grafen tabakalarındaki elektron taşınımı, kütlesiz relativistik parçacıklardaki gibidir ve 200.000 ??²/?? olan yüksek değerlere ulaşır. Tabaka sayısına göre tek tabaka (monolayer), iki tabaka (bilayer), üç tabaka (trilayer), 5-10 tabaka (fewlayer) ve çok tabaka (multilayer) olarak adlandırılan grafenin fiziksel özellikleri tabaka sayısına göre değişiklik göstermektedir. Elektriksel özelliklerinden dolayı balistik transistörler, alan vericileri, entegre devre bileşenleri, iletken elektrotlar gibi uygulama alanları bulan grafen optik özelliklerinden dolayı dokunmatik ekranlar, fotovoltaik hücre uygulamaları, ışık yayan diyotlar, likit kristal ekranlar gibi uygulama alanlarına da sahiptir.

Keşfi

1991’de Japon araştırmacı Dr.Sumio Iijima fulleren üretmeye çalışırken, ürettiği malzemenin elektron mikroskop incelemesinde yeni bir karbon yapı elde ettiğini belirlemiş, bu yeni malzemeye ‘Karbon Nano Tüp (CNT) adını vermiştir. Karbonun iki yeni allotropu olan fulleren ve CNT’lerin bulunması ‘Nanoteknoloji’ olarak anılan yeni teknoloji çağının başlangıcını oluşturmuştur. Daha sonra 2004 yılına gelindiğinde Manchester Üniversitesinden iki araştırmacı, Prof Andre Geim ve Prof Kostya Novoselov grafitten tek bir tabakayı “ selobant” tekniği (Scotch Tape method) ile ayırmayı başararak karbon elementinin yeni bir allotropu olan grafeni elde etmişler, bu öncü çalışmaları ile 2010 Nobel Fizik Ödülü ile ödüllendirilmişlerdir. Yöntem son derece basittir. Araştırmacılar, çok saf bir grafit kristali alarak masanın üzerine koymuşlar, üzerine yapışkan bir bant yapıştırdıktan sonra, bandı grafit yüzeyinden hızla çekerek bir tabaka grafeni ayırmayı başarmışlar, daha sonra özelliklerini incelemişlerdir.

Grafen; şimdiye kadar yapılmış en ince madde olarak kayıtlara geçmiştir. Elmas kadar sert ve çelikten yüzlerce kat daha güçlüdür. Aynı zamanda son derece esnek hatta bükülebilirdir. Oda sıcaklığında bilinen herhangi bir malzemeden daha hızlı elektriği iletir ve herhangi bir dalga boyunun ışığını bir akım haline dönüştürebilir.

Kullanım alanları

Küçük cihazlar için grafen: Elektrik iletimini çok küçük bir alanda dahi sağlayabilen grafen, çalışmak için çok küçük miktarda güce ihtiyaç duyan süper hızlı bilgisayarlar ve transistor araştırmalarında kullanılır. Grafen esnek, güçlü ve şeffaftır.

Grafen ve Kuantum Mekaniği: Grafen kuantum elektrodinamiğinde tahminleri test etmek için kullanılır.

Dokunmatik ekranlar, televizyonlar: Dokunmatik ekran ve televizyonlar dokunuşlara cevap verebilmek için elektriksel algılama yöntemi kullanıyor. Bu yüzden tüm ekran elektriği ileten şeffaf bir maddeyle kaplanmalı. Bu madde ITO (Indium tin oxide, indiyum kalay oksit) elektriksel iletken bir kaplama çeşididir. Ancak sert olmasına rağmen kırılgandır ve bunun yanında indium rezervleri tükeniyor. Buradan yola çıkarak Rice Üniversitesi’ndeki araştırmacılar daha dayanıklı ve ultra ince olan grafen film oluşturmayı başardılar.

Grafenin Potansiyel Kullanım Alanları

Grafenle ilgili geliştirilmekte olan bazı teknolojiler şunlardır;

1. Bataryaların yerini alabilecek süperkapasitörler
2. Küçük ve verimli biyosensör cihazlar
3. Hızlı flash hafızalar
4. Su geçirmeyen kıyafetler
5. Daha sağlam ve hafif uçaklar ve koruma ekipmanlar.
6. Grafenin daha hızlı bilgisayar yongaları ve esnek dokunmatik ekranlardan yüksek verimli güneş pilleri alanında kullanılabilirler.

Sonuç olarak milimetrelere kadar düşen ölçü birimleri kullanılan teknolojik aletlerin yapımında ve uzun ömürlü bataryalar için grafin çok değerlidir. Bükülebilir, esnetilebilir, şeffaf ve son derece hafif, ısıyı ve elektriği iletebilen en iyi nesne olan grafin ilerleyen zamanlarda daha çok kullanım sahasına yayılacaktır.

Kaynaklar:

1. Two dimensional Atomic Crystals, K.S. Novoselov, et al.Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 102 (2005),
2. Global Research Report Materials Science And Technology, Jonathan Adams ve David Pendlebury, Haziran 2011
3. TheBionicMaterial, Charles Schmidt, Nature,Mart 2012
4. The Home of Graphene, http://www.graphene.manchester.ac.uk/
5. Graphene based materials: Past, present and future, V. Singh et al., Progress in Materials Science 2012, 56 1178–1271
6. SuperCarbon, NeilSavage, Nature, Mart 2012