Ezber Bozan malzeme: GRAFEN

Roketsan banner

Bu yazıda, malzeme dünyasında “mucize malzeme” olarak adlandırılan ve sektöre yaklaşık 20 sene önce giriş yapan, kullanım alanı genişleyen Grafenden bahsedeceğiz.

Gün geçtikçe malzeme biliminde yaşanan gelişmeler, farkında olalım ya da olmayalım hayatımızın her alanını önemli ölçüde etkilemekte. Geliştirilen teknolojilerin iç kısmına baktığımızda malzeme biliminin ne kadar etkin bir parametre olduğunu, daha doğrusu “Malzeme olmadan mühendislik olmaz” sözünün ne kadar doğru olduğunu anlamaktayız. Bu yazıda ise, malzeme dünyasında “mucize malzeme” olarak adlandırılan ve sektöre yaklaşık 20 sene önce giriş yapan, önemli özelliklerinden dolayı da gün geçtikçe kullanım alanını genişleten grafenden bahsedeceğiz.

Grafen, bir atom kalınlığında bilinen en ince, en hafif, elmastan bile sert olan en iyi iletken malzemedir. Karbon atomlarının hekzagonal şekilde dizilmesi ile oluşan iki boyutlu bir yapıya sahiptir. Kısaca zihninizde canlandırma açısından, kurşun kalem ucunu oluşturan grafitin tek katmanlı halini düşünebilirsiniz. Basit bir “kalem ucu” ne gibi gelişmiş özellikler kazandırıyor, örneklerle göreceğiz.

Tarihçesinden başlamak gerekirse, Alman Kimyager Hanns-Peter Boehm ve arkadaşları, 1961’de grafen oksit redüksiyondan birkaç tabakalı grafit yapı elde etti. 2004’e gelindiği zaman ise, Rus bilim adamları Andre Geim ve Konstantin Novoselov, tek katmanlı grafen eldesini başardılar. 2010 yılında da bu gelişme onlara Nobel Fizik Ödülünü kazandırdı.

Grafenle hatta 2D malzeme yapısıyla ilgili çok fazla bilginin olmadığını, buluşun yakın tarihte gerçekleşmiş olmasından tahmin edebilmekteyiz. Bu sebepten ötürü grafenle ilgili çalışmalar, 2D malzemelerin de özelliklerini öğrenmemiz açısından önem teşkil etmektedir.

Grafen de elmas ve grafit gibi karbonun allotropudur.

Üretim Yöntemleri

Grafen Üretim Metodları

Grafen üzerinde araştırmalar hala devam etmekte olduğundan ve seri üretimin de olmamasından dolayı üretim maliyetinin yüksek olması, araştırmacıları gün geçtikçe farklı yöntemleri denemeye itmiştir. Bu sebepten ötürü birçok üretim yöntemi bulunmakta ve daha konvansiyonel ve ekonomik bir yöntem için araştırma çalışmaları devam etmektedir. Fakat kısaca kimyasal buhar biriktirme (CVD), Sıvı faz ekspoliasyon (LPE), Carbon nanotube Unzipping, SiC üzerinde epitaksiyel büyüme, Mikro mekanik ekspoliasyon, Grafit oksit redüksiyonu gibi birkaç yöntemden bahsedebiliriz.

Özellikleri

Grafenin ilgi çeken taraflarından bir tanesi manyetik alan altında ve düşük sıcaklıkta göstermiş olduğu elektronik davranıştır. İletkenlik taşıyıcı mobilitesiyle alakalıdır ve grafenin yüksek taşıyıcı mobilitesinin olması, elektronik araçlarda kullanımını sağlar. Taşıyıcılar neredeyse ışık hızına sahip, sıfır durağan kütleli parçacıklar olarak hareket etmekte olduğundan çok iyi iletim sağlanır. Elektron mobilitesi oda sıcaklığında 2000 cm2/V’dir. Tavlanmış grafen cihazlarda mobilitenin 2*105’e ulaştığı görülmektedir ki bu değer yarıiletkenlerde, belirtilmiş en yüksek değerdir. Grafen, silisyumdan 100 kat yüksek elektron mobilitesine sahiptir.

  • En ince, en hafif ve en sert malzemedir.
  • Mukavemeti yüksektir, çelikten yaklaşık 300 kat daha sağlamdır.
  • Young modülü yaklaşık 0,5-1,0 TPa’dır, bu özellik ideal takviye eleman olmasını sağlar.
  • Çekme dayanımı 130 GPa’dır. Karşılaştırma açısından Kevlar’ın değerinin 0.37 GPa olduğunu söyleyebiliriz.
  • Yoğunluğu çelikten yaklaşık 5 kat daha azdır.
  • Saydamdır, ışığın %2,3’ü absorblanır.
  • Esnektir, inerttir.
  • 1 metrekarelik bir grafen tabakası yalnızca 0,77 miligram ağırlığındadır.
  • Geçirimsizdir- atomları çok sıkı bağlı olduğundan, içerisinden en küçük atom olan helyumu bile geçirmez.
  • Bant aralığı yoktur.
  • Termal iletkenlik katsayısı 3000-6000 W/mK’dir. Bakırla kıyaslamak gerekirse 8-15 kat daha yüksektir.

Grafenin birçok potansiyel kullanım alanı vardır fakat başlıca olanları sıralamak istersek:

  • Süperkapasitörler
  • Transistörler
  • Giyilebilir teknoloji
  • Dirac parçacık özelliğinden dolayı kuantum teknolojileri
  • Sensörler- gelişmiş algılama yeteneği sunmaktadır.
  • Filtrasyon
  • Biyomalzemeler- grafen, vücut içerisinde yapısı bozulmadan kalabilmekte.
  • Kaplamalar- yüksek yapışma özelliğinden ötürü anti bakteriyel, korozyona dayanıklı ve UV ışınlarını önleyici kaplamaları mümkün kılar.
  • Kamuflaj çalışmaları
  • Kompozitler
  • Pil teknolojileri/ Ultra hızlı şarj edilebilen bataryalar

Grafenin sahip olduğu iletkenliğin çok yüksek olması belki de saniyeler içerisinde bataryaların dolmasına sebebiyet verecektir. Hızlı dolum ve kapasite artışının yanında pil ömründe de artış yaşanacaktır.

Savunma Sanayii Ve Grafen

Grafen SSB

Savunma Sanayii, grafenin potansiyel çalışma alanları arasında en önemlilerinden biridir. Özellikle nanoteknolojinin silah endüstrisine de girmesiyle yıkıcı gücün artması, bu teknolojilere yönelimi arttırmıştır. Savunma sanayii için grafen gibi 2D malzemelerin en önemli artısı, minimum miktarda metal ile üretildiklerinden radarda görülmelerinin çok daha zor olması yani radar izinin çok düşük olmasıdır. Bu sebepten ötürü araştırmaların ilerlemesiyle, grafenin sektörde kullanımının artacağı düşünülmektedir.

Grafenin askeri alanda en popüler uygulamalarından biri robotik kıyafetlerdir. Bu kıyafetlerle askerlere saldırılara karşı kendilerini savunma yeteneği kazandırılır.

Grafenin balistik özelliklere ne gibi katkı sağlayacağı da çeşitli araştırma konusunu oluşturmuştur. Kişisel koruma teknolojilerinde (yelekler, diğer kurşun geçirmez elemanlar vb.) grafen kullanımıyla önemli bir ilerleme kaydedilerek daha modern teknolojinin yer alması sağlanmaktadır. Daha hafif ve daha rahat olmasıyla arttırılmış koruma sağlayarak, ordunun güvenliği ve operasyonel yeteneklerinde olumlu gelişmeler kaydedilir.

Massachusetts Amherst Üniversitesi’nden araştırmacılar, grafenin kinetik enerjiyi dağıttığını, mermi noktasında bir koni şekli oluşturduğunu ve ayrıca zırhın yavaş yavaş çatlamaya başladığını keşfettiler. Çok katmanlı grafen kullanımıyla ya da grafeni polimer matris içine yerleştirerek çatlakların yayılmasının önlenebileceğini ve merminin etkisinin en aza indirileceğini belirttiler. Grafenin kinetik dağılımının, bu alanda yaygın olarak kullanılan paslanmaz çelikten üç kat daha iyi olduğu bu sayede öğrenilmiştir.

Dünyanın en yüksek çözünürlüklü “Grafen... - KOMPOZİT MALZEMELER | Facebook

İspanya’da yürütülen çalışmalarda, kompozit malzemenin mekanik özelliklerini önemli ölçüde iyileştiren grafen ile güçlendirilmiş bir nano-kompozit malzeme geliştirildi ve askeri uygulamalarda testleri yapıldı. Geliştirilen nanokompozitin, gelişmiş bir balistik limite sahip olduğu gözlemlenmiş ve darbe enerjisini daha iyi dağıtma yeteneğine sahip olduğu anlaşılmıştır.

Imperial College London’da araştırmacılar, ipek ve grafeni birleştirerek zırh ağırlığını azaltmayı amaçlamaktadır. Çalışmanın amacı, Kevların iç katmanını rafine edip seramik dış katmanın boyutunu azaltarak yeleği çok daha hafif ve rahat hale getirebilmektir. Önce örümcek ipeği kullanımı seçilse de yüksek maliyetten dolayı ipekböcekleri kullanmaya karar verilip, grafen takviyesi yapılmıştır. Deneyler sonucunda, ipek üzerine grafen eklenmesinin kompozit gücünü artırdığını gözlemlenmiştir.

Askeri havacılık endüstrisinde de grafen kullanımıyla gelişmeler kaydedilmektedir. Yapılan bir çalışma sonucunda, prototip bir uçak oluşturulmuş ve çalışmanın bir parçası olarak, bu kompozit malzemelerin kullanımının sürtünme kuvvetinde %5-%7 oranında azalmaya sebebiyet vermesinden ötürü, uçağa gelişmiş aerodinamik özellikler sağladığı keşfedilmiştir. Bu gelişme ile yakıt tüketimi azaltılmış olacaktır. Ayrıca grafen kullanımı uçağın ağırlığını da azalttığından yine yakıt tasarrufu sağlanacaktır.

Araştırmacılar Grafenin Süper İletken Olduğunu Keşfetti

Grafen esaslı kompozit kullanılarak yapılan uçağın mukavemetinde ortalama %10 artış fark edilmiş ve grafenin şimşek çakmasına karşı dayanıklı olduğu düşünülerek yapılan çalışmalar sonucunda da olumlu etki gözlenmiştir. Grafenin buzlanmayı gidermek için uçak kanatlarında boya olarak kullanılabileceği de kanıtlanmış etkiler arasında yer almaktadır.

Kompozitler, maliyet açısından yüksektir fakat grafenin doğada bol bulunması, seri üretime geçiş ve kullanımın artmasıyla azalmalar yaşanacaktır.

Benzer şekilde grafenin kasklarda kullanımı da ağırlığı büyük ölçüde azaltacak ve daha uzun bir ömürlü kask kullanımı ile askerlere büyük fayda sağlayacaktır.

Dünyada grafen ile ilgili yapılan çalışmalardan bahsedecek olursak;

Grafenin endüstriyel uygulamalara transfer edilmesini amaçlayan ve Avrupa Birliği tarafından finanse edilmiş Grafen Amiral Gemisi (Graphene Flagship), 21 ülkeden 170’ten fazla akademik ve endüstriyel ortağı bir araya getirmektedir. Bu çatı altında enerjiden iletişime, sağlıktan savunma sanayiine uzanan geniş yelpazeli çok farklı araştırma çalışmaları yürütülmektedir.

2008’de Airbus, uçak kanatlarında grafen kullanımıyla yakıt tasarrufunu arttırıp karbondioksit salımını azaltan ve uçakların kullanım ömrünü uzatan bir gelişme kaydettiğini duyurmuştur.

2016 yılında ABD’li İleri Savunma Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA), Florida Üniversitesinin kızılötesi kameraları ve gece görüş gözlüklerini daha küçük, daha hafif ve daha yüksek çözünürlüklü hale getirmeyi hedefleyen “Grafen Kızılötesi Dedektör” projesine 1,3 milyon dolar bağışlamıştır.

Graphene enables ultrahigh sensitivity infrared detectors | Graphene-Info

Avrupa Savunma Ajansı (EDA), Aralık 2017’de grafenin savunma uygulamaları üzerindeki potansiyel kullanımını ve etkisini değerlendirmek için bir çalışma başlatmıştır. Çalışmalar, Cartagena Teknik Üniversitesi, Cambridge Nanomaterial Technology ve Tecnalia Research and Innovation ortaklığında gerçekleştirilmiştir. Proje Aralık 2018’de başlamış ve Mart 2019’da tamamlanmıştır. Proje sonunda elde edilen en ilginç sonuçlardan biri, yukarıda bahsedildiği gibi, %2’lik grafen katkısında %16,2’lik balistik limit artışının eldesidir.

2018’de ABD’li savunma şirketi Lockheed Martin, sürücüsüz kara araç konvoylarının batarya ömürlerinin arttırmak için Kanadalı grafen firması Elcora ile grafen katkılı lityum-iyon pilleri geliştirilmesine yönelik ortaklık kurduğu açıklamıştır.

Çinli bilim insanları, özellikle Güney Çin Denizi deniz üslerindeki savaş platformları, elektronik ekipman ve silahları korozyondan korumak amacıyla grafen kaplama malzemesi geliştirmek üzere çalışmalar yapmaktadır.

BEA Systems tarafından desteklenen bir projede Manchester Üniversitesi bilim insanları, grafen kaplı bir İnsansız Hava Aracını (İHA) test ederek, grafen kaplamanın uçakların daha yüksek irtifalarda uçabilmesini sağladığını, yakıt tüketimini azalttığını ve yıldırım gibi atmosfer olaylarından koruyabildiğini söylemiştir. [3]

Dünyanın birçok ülkesinde ciddi araştırmalar yapılırken, ülkemizde bu çalışmalar maalesef sınırlı sayıdadır. Bunların birkaçından bahsedecek olursak;

Sabancı Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma ve Uygulama Merkezi (SUNUM), Grafen Amiral Gemisi’nin enerji alanındaki çalışmalarına katkı sağlamaktadır.

Ağustos 2018’de Sabancı Üniversitesi ve ASELSAN iş birliğinde gerçekleşen ELMAS Projesi kapsamında dünyanın en yüksek çözünürlüklü grafen tabanlı OLED ekranının geliştirildiği açıklanmıştır. OLED ekranların oksijen ve neme karşı çok hassas olmaları, grafeni bu alan için ideal bir malzeme yapmaktadır. Türkiye’de geliştirilen OLED ekranın savaş uçaklarının gösterge panellerinde kullanılarak dışa bağımlılığın azaltılması hedeflenmektedir.

Grafen OLED
Grafen OLED

İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ) Nanoteknoloji Uygulama ve Araştırma Merkezi (İTÜnano) bünyesinde geliştirilen Nano Geliştirilmiş Ölçeklenebilir Kuantum Güneş Pili Tasarımı Üretimi ve Karakterizasyonu projesiyle güneş pili üretimi hedeflenmektedir. Bu projenin en güzel kısmı, indiyum veya kadmiyum gibi canlılar için zehirli atomların yerine organik karbon atomlarının kullanımıdır. Yüksek kapasiteli ucuz seri üretimi yapılabilir, çevreye zararı olmayan ve yüksek verimle çalışabilen yeni nesil güneş pili teknolojisinin geliştirilmesi hedeflenmektedir.

Geçtiğimiz sene içerisinde Gebze Teknik Üniversitesi (GTÜ) Teknoloji Transfer Ofisi’nde faaliyet gösteren Hazerfen Kimya Malzeme ve Enerji Teknolojileri Sanayi Ticaret A.Ş. tarafından, grafen takviyesiyle İHA’ların dayanıklılığını artıran kompozit reçinesi geliştirilerek, mucize malzememiz grafen sayesinde İnsansız Hava Araçlarının (İHA) dayanıklılığını arttırılmıştır. Bu reçinenin kullanımıyla İHA’ların çekme-kopma dayanımında %50, tokluğu-çarpma dayanımında ise %130 artış gözlenmiştir.

İHA’da Grafen takviyeli kompozit

Aynı firma ayrıca, çevre dostu su bazlı yol çizgi boyalarının kullanım ömrünü 3 katına çıkaran ve maliyetleri %50 azaltan grafen takviyeli boya geliştirilmiştir.

Nisan 2020’de Savunma Sanayii Başkanlığı (SSB) himayesinde yürütülen ve ASELSAN’ın lider kuruluş olduğu Grafen ve İki Boyutlu Malzeme Odak Teknoloji Ağı Lansman Toplantısı düzenlenmiştir.Grafen ve İki Boyutlu Malzeme Odak Teknoloji Ağı, savunma sanayii teknolojilerinde geleceğin teknolojilerine yatırım yapılarak sistem/alt sistem ürünleri geliştirme hedefi kapsamında SSB öncülüğünde oluşturulmuştur. ASELSAN, Teknoloji ve Strateji Yönetimi Genel Müdür Yardımcılığı, Araştırma Merkezi ve Teknoloji Yönetim Direktörlüğü, İleri Malzemeler Araştırma Program Birimi liderliğinde yürütülecek olan Grafen ve İki Boyutlu Malzeme Odak Teknoloji Ağı çalışmalarında; elektronik/ optoelektronik odak çalışma grubunun liderliğini ASELSAN üstlenirken, kompozitler, koruyucu kaplamalar ve boyalar odak çalışma grubu liderliğini ROKETSAN, enerji odak çalışma grubu liderliğini ise TÜBİTAK MAM yürütmektedir. Bir senelik çalışmanın sonucunda ise, Grafen ve İki Boyutlu Malzeme Odak Teknoloji Ağı Yol Haritasının hazırlanması planlanmaktadır.

Grafen

Özetlemek gerekirse grafen, birçok sektörde potansiyeli olan ve gelişmiş özellikleriyle ileriki günlerde etkisini daha da keskin hissedeceğimiz bir malzemedir. Pek çok sektörü etkileyen bu mucize malzememiz en çok da sürdürülebilirlik çalışmaları açısından organik oluşuyla, dünyanın günümüzde en fazla ihtiyaç duyduğu bir malzemedir aslında. Araştırmalarda görüldüğü gibi pek çok farklı alanda grafenle ilgili çalışmalar yürütülmekte. Grafenle ilgili çalışan ve teknolojik ilerlemeyi yakalayan ülkeler, sağladığı kritik teknolojilere de sahip olacaktır.

“Zaman ilerledikçe birçok malzemenin yerini belki de grafen alacak, kim bilir!”

ÖNERİLEN İÇERİK: “İnsansız Savaş Uçağı Üzerinde Çalışıyoruz”


Zeynep Bayındır / SavunmaSanayiST.com

Kaynakça

  • [1] Caterina Soldano; Ather Mahmood; Erik Dujardin (2010). Production, properties and potential of graphene. , 48(8), 2127–2150. doi:10.1016/j.carbon.2010.01.058
  • [2] Michael Berger. (2015). Graphene description. Retrieved from https://www.nanowerk.com/what_is_graphene.php
  • [3] Grafen Teknolojisi Ve Savunma Sanayiinde Kullanımı, STMthinktech Trend Analizi Eylül 2019
  • [4] Dünyanın en yüksek Çözünürlüklü “grafen Tabanlı Oled Ekranı” geliştirildi. (2018). Retrieved from https://gazetesu.sabanciuniv.edu/2018-09/dunyanin-en-yuksek-cozunurluklu-grafen-tabanli-oled-ekrani-gelistirildi
  • [5] Türk Bilim insanları doğa dostu Nanoteknolojik GÜNEŞ pili üretecek. (n.d.). Retrieved February 13, 2021, from https://www.aa.com.tr/tr/bilim-teknoloji/turk-bilim-insanlari-doga-dostu-nanoteknolojik-gunes-pili-uretecek/1844660
  • [6] ‘Mucize malzeme’ ile İHA’ları güçlendirdiler. (n.d.). Retrieved from https://www.aa.com.tr/tr/bilim-teknoloji/mucize-malzeme-ile-ihalari-guclendirdiler/1707187
  • [7] www.aselsan.com.tr
  • Anne Marie Helmenstine, P. (n.d.). Here’s why graphene is important. Retrieved from https://www.thoughtco.com/why-is-graphene-important-603950
  • Ensuring durability and long-term cost effective materials for the defence industry. (2020). Retrieved from https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=19227
  • Kouzegaran, V., Safder, A., & Gürsel, H. (n.d.). ​Military applications of graphene. Retrieved from https://nanografi.com/blog/military-applications-of-graphene/
  • Xu, Zhiping (2018). Graphene || Fundamental Properties of Graphene. , (), 73–102. doi:10.1016/B978-0-12-812651-6.00004-5

Meteksan Banner   Tualcom Banner

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu