Gelecekte insanlığa en fazla katkısı bulunacak iki materyal muhtemelen karbon fiber ve grafen. Karbon fiber az bulunması nedeniyle şu an otomotiv ve havacılık gibi ağır sanayilerin bütçesini karşılayabildiği bir madde. Bilim insanlarının iştahı kabartan grafen ise Pandora’nın kutusu gibi potansiyelini özgür bırakacağı günü bekliyor.
Grafenin potansiyelini gözler önüne seren yeni bir araştırma, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde (MIT) yapıldı. Bilim insanları, iki boyutlu bir madde olan grafeni 3D karmaşık bir şekle soktu. Çeliğin yüzde 5 kütlesinde ve 10 misli sert olan inşa edilen 3D modelin, pres altında direnci ölçüldü.
Elde edilen bilgiler ışığında, maddelerin geometrik şekilleri değiştirildiği zaman kimyasal özelliklerinden bağımsız olarak mekanik yeteneğinin geliştirebildiği anlaşıldı. Kısaca, grafen dışında birçok madde farklı geometrik şekillere sokularak çok daha dayanıklı hale gelebilir. Gelecekte esnek ve dirençli yapılar üretmek için illa sert materyaller kullanmak zorunda kalmayabiliriz.
Deney nasıl yapıldı?
Araştırmacılar, hazırlanan bilgisayar modellerini kullanarak diatomik (iki atomlu) küpleri grafenin sünger benzeri şeklini yansıtacak şekilde şekillendirdi. Ortaya çıkan macenta süngerin geometrisi, deneyin en önemli kısmını oluşturuyordu. Gözenekli ve geniş yüzey alanı sayesinde, grafen çok düşük kütleli olmasına rağmen çok yüksek basınçlara dayanabilecek hale geldi.
Bilim insanlarını şaşırtan bulgulardan biri, farklı küplerin beklenmedik tepkiler vermesi oldu. Daha kalın duvarlar ve kıvrımlara sahip olan küp, yüksek basınca daha az direnç gösterdi. Söz konusu küp, daha ince olan bir tanesine kıyasla pres altında daha çabuk parçalandı. İnce olan küp ise parçalanmasına rağmen şeklini en son ana kadar korumayı başardı.
Peki bu beklenmedik durum nereden kaynaklanıyor? Cevabı, ince duvarların maddenin kademeli olarak şeklini yitirmesine izin vermesi. Kalın duvarlar ise maddenin bozulurken ortaya çıkardığı enerjiyi saklıyor ve bir noktadan sonra tek seferde boşaltılan enerji patlamaya neden oluyor.
Nasıl kullanılacak?
Deneyler, direncin kullanılan materyalden çok geometrik şekle bağlı olduğu düşüncesini güçlendirdi. İleride, farklı boyutlardaki 3D yazıcılar kullanılarak farklı materyallerden ultra sağlam binalar, köprüler inşa edilebilir. Ayrıca sanayinin birçok alanında farklı boyutlarda çok daha esnek ve dirençli parçalar üretilebilir.
MIT Sivil ve Çevre Mühendisliği direktörü Markus Buehler, “Materyalin kendisini herhangi bir şeyle değiştirebilirsiniz… Burada baskın olan faktör geometri” ifadesini kullandı.
Araştırmada yer almayan Brown Üniversitesi’nden Huajian Gao, deneyleri “3D grafen montajının mekanikleri üzerinde ilham verici bir çalışma” olarak yorumladı. Gao, ‘bilgisayar modellemesi ile 3D yazıcı odaklı deneylerin bir araya getirilmesinin mühendislik araştırmalarında yeni bir yaklaşım olduğunu’ belirtti ve miro ölçekte başlayan deneylerin 3D yazıcılar ile makro boyutlara ulaşmasını ‘etkileyici’ olarak yorumladı.
Tüm bu bilgilerin ardından grafen ile ne yapabiliriz? Bir örnek şu şekilde: Polimer veya metal parçacıkları grafen ile örttükten sonra basınç ve ısı uygulanır. Ardından temel materyalleri çıkarılır. Bu sayede geride grafenin hafif ve süper sağlam yapısı kalacaktır.
MIT, söz konusu yöntem ile beton köprülerin inşasından su ve kimyasalların filtrelenmesine kadar birçok uygulama geliştirilebileceğine inanıyor.
Geleceği yönlendirecek süper madde
ABD’nin Columbia Üniversitesi tarafından 2008 yılında ‘dünyanın en sert materyali’ ilan edilen grafen, aslına bakarsanız karbon atomunun altıgen şekle sahip yapılarından sadece bir tanesini temsil ediyor. Özellikleri nedir derseniz kısaca:
– Çeliğin 200 katı sağlam. Yani, ikiye bölünmeden önce çeliğin kaldırabileceği baskının 200 katına direnç gösterebilir.
– Gözenekli geniş yüzeyi sayesinde süper dirence sahiptir. Aynı zamanda mükemmel filtreleme ve enerji depolama fonksiyonları için kullanılabilir.
– Çok iyi bir iletken olan grafen akıma bakırdan daha az direnç gösterir. Elektronlar grafen üzerinde o kadar rahat hareket eder ki kütlelerini kaybettikleri düşünülebilir.
– Süper ısı iletir. Aynı zamanda süper şeffaftır. Grafen, yüzeyine çarpan ışığın sadece yüzde 2,3’ünü emer.
– Su geçirmeme özelliği çok yüksektir. Sadece en küçük moleküller bir grafen yüzeyinden geçebilir.
Neler yapılabilir?
Grafenin elmastan bile sert olduğunu teyit eden Columbia Üniversitesi, aynı zamanda maddenin yüzde 20 oranında esneyebildiğini tespit etmişti. Kısaca, lastik kadar esnek olan grafen, gelecekte kol saatlerinden bantlara, hatta dokunmatik tişörtlere kadar çeşitli giyilebilir teknolojilerin önünü açacak. Su geçirmeme özelliği, elektronik cihazlardaki su geçirmeme teknolojisini ve donanımını gereksiz kılacak.
En hafif elektronik ürünlere kapı aralayacak: Amerikan Kimya Topluluğu tarafından yapılan araştırmaya göre, bir ons (23.8 gram) grafen, tam 28 futbol sahasını kaplayacak kadar ince bir madde. Kısaca, bir gün kağıt inceliğinde akıllı telefonlar veya tablet bilgisayarlar kullanmaya başlarsanız, hiç şaşırmayın.
Batarya ömrü artacak: ABD’nin Northwestern Üniversitesi araştırmacıları, grafen ve silikon kullanarak dünyanın en etkin bataryasını geliştirmeyi başardı. Şarjı bir hafta giden bataryanın şarj süresi sadece 15 dakika sürdü. Bu aşamadan sonra yapılması gereken tek şey, grafenin geliştirilecek yeni nesil elektronik cihazlara uygun bataryalar üretilmesi. Bilim insanları, gelecekte sadece 15 veya 30 saniyede şarj olabilen bataryalar yapabileceklerini düşünüyor.
Biyolojik sistemlerle uyum gösterecek: İngiltere’nin Manchester Üniversitesi’nden Dr. Avind Vijayaraghavan’ın araştırmasına göre, grafen insan vücuduyla etkileşime girebilecek özellikte bir madde. Vijayaraghavan, Times’a yaptığı açıklamada, grafenin sinir sistemini tarayabileceğini ve sadece nabız ile kan şekeri ölçmek gibi özelliklerin ötesine giderek, giyilebilir medikal cihazların hücre seviyesine inebileceğini öne sürdü.
Maliyet ve bolluk: Grafen, teknoloji sanayisinin bulabileceği en ucuz materyallerden bir tanesi. Bu özelliği, üzerinde yapılan araştırmaların da hızla ilerlemesini sağlıyor. Sert olduğu kadar hafif olan grafen, Samsung laboratuvarlarında bir yarı iletken üzerinde tek bir kristal parçası olarak enjekte edildi. Bu sayede, elektrik ve mekanik özelliği artan transistörlerin seri üretimi için kapı aralanıyor.
Yüksek verimli güneş panelleri: Onlarca yıldır güneş panelleri için tercih edilen silikona bir foton çarptığında, yaşanan enerji değişimi tek bir elektronun hareket etmesini sağlıyor. Grafende ise bir fotona karşılık 3 elektron harekete geçiyor. Esnekliği ve dayanıklılığı sayesinde, bilim insanları grafenden çok daha uzun ömürlü ve enerji etkin güneş panelleri yapalabileceğine inanıyor.