Dr. Tayfun Acarer

Bilgi Üniversitesi

Silikon tabanlı yarı iletken malzemelerin işlenmesinde kaydedilen teknolojik ilerleme ile birlikte 1960’lı yıllarda binlerce transistör içeren entegre devrelerden, günümüzde milyonlarca transistör içeren entegre devrelere ulaşılmıştır. 21. yüzyılda geliştirilen nano-teknoloji araştırmalarıyla birlikte bilim adamlarının karbon atomlarının “bal peteği” örgüsü formunun bir araya getirilmesi çalışmaları ile, 2004 yılında grafen (graphene) isimli malzeme üretilmiştir.

Bu  madde elektronları diğer malzemelere göre daha hızlı ilettiği için, entegre devrelerde silikonun alternatifi olacaktır. Aynı zamanda yapılan bazı çalışmalar sonucunda, grafenin silikon ile birlikte kullanılmasıyla grafenin iyi iletkenliğinin olumsuz etkilenmeyeceği de fark edilmiştir. Önümüzdeki yakın süreçte Grafenin; otomotiv, plastik, yapı, batarya, uzay sanayii, enerji ve elektronik sektörlerinde kullanılması ile birlikte, önümüzdeki 50 yılı şekillendirecek çok etkili bir nano malzeme olacağı tahmin edilmektedir.

Grafenin Yapısı

–          Atomik Yapısı

Grafenin kristal benzeri Atomik şekli Raman ve Rayleigh yöntemlerini kullanarak yüksek çözünürlüklü mikroskop ile incelenmiş ve  bir  petek deseni olduğu keşfedilmiştir. Grafenin    bu  ya p ııs ı   altıgen kafes iki serpiştirmeye üçgen örgüler olarak kabul edilebilir. Grafen, karbon atomunun iki boyutlu altıgen (bal peteği) yapıda dizilmiş bir formu olup, doğada iki boyutlu tek malzeme örneğidir.

Grafen Aslında çok nadir bulunan bir malzeme olmayıp, Kurşun kalemlerin içindeki grafit (kurşun) grafen tabakalarının üst üste binmesinden oluşmaktadır.

–          Elektronik Altyapısı

Grafen hakkında ilk çalışmalardan biri PR Wallace tarafından yapılmıştır. Wallace, grafen kelimesini kullanmamış, ancak onu  “tek tabakalı yapı” olarak isimlendirmiştir.

Elektronik yarıiletken transistörleri “açık – kapalı” ya da dijital anlamı ile “0 – 1“ konumlarına getirmek  için gerekli olan  “bant-aralığı” özelliği grafende yoktur.

Elektronların içerisinde kolayca hareket edebiliyor olması, grafeni entegre devreler için ciddi bir alternatif malzeme haline getirmiş olup, bu gelişmelere paralel olarak IBM araştırmacıları 2011 yılında ilk grafen içeren transistörü üretmeyi başarmışlardır.

Grafenin Özellikleri

• Çelikten daha sağlamdır.

Grafen sadece bir atom kalınlığında olsa da çelikten 200 kat daha sağlamdır. Amerikan Kimya Derneği’ne göre grafen bu sağlamlığı karbon atomlarının iki boyutlu düzenlenmesinden kaynaklanmaktadır.

–   Suya ve gaza dayanıklıdır.

Grafenin suya dayanıklı olması yeni nesil suya dayanıklı cihazların (günümüzdeki su izolasyonu kavramına gerek kalmadan) kolayca üretilmesini sağlayacaktır. Gaz geçirmez özelliği ise gazların ayrıştırılması gibi alanlarda kullanılabilmesini sağlayan bir özelliktir. Grafen’in diğer özelliklerini aşağıdaki başlıklar altında özetlemek mümkündür.

– Grafen bilinen en ince ve en hafif malzemedir.

– Saydamdır.

– Isıyı en iyi ileten malzemedir.

• Plastik kadar esnekdir.

2015 yılında Kolombiya Üniversitesi araştırmacılarının The New York Times’a yaptıkları açıklamada; grafenin yüzde 20 oranında esneyebildiği belirtilmiştir. Günümüzde birçok kurum grafen transistörleri (esnek ekran üretimini kolaylaşması sebebiyle) diğer elektronik ekipmanlar ile birlikte giyilebilir cihazlarda da denemektedir.

Grafen’in Elektriği En İyi İleten Malzeme Özelliğini Taşıması

Elektronlar Grafen içinde çok yüksek hızla hareket etmektedirler. Bal peteği formatındaki dizilim sayesinde elektrik akımı çok hızlı bir şekilde aktığından, Grafenin elektrik iletkenliği çok yüksektir. Nano boyutlarda böyle bir elektrik iletimi “süper küçük bilgisayarlar, elektronik devre ve transistörlere” kapı aralamaktadır.

Işığı Harekete Çevirebilmesi

New Scientist’in raporuna göre “Grafenin saymakla bitmeyen inanılmaz özelliklerinden biri de ışığı harekete çevirebilmesi”dir.  Grafenin bu özelliği tesadüfen bulunmuştur. Araştırmacılar lazerle grafen oksitten yapılmış bir süngeri keserken, süngerin hareket ettiğini fark etmişlerdir. Şaşıran araştırmacılar deneyi vakumlu ortamda tekrarlamışlar ve bu sefer de süngerin 40 cm kadar hareket ettiğini görmüşlerdir. Ardından mercekle güneş ışığını sünger üzerinde odaklayarak denemişler ve yine aynı sonucu almışlardır. Araştırmacılar sebebi tam olarak açıklayamasalar da ışığın grafenle harekete dönüştüğünü tespit etmişler ve bu konuda iki teori geliştirmişlerdir. Bu teoriler halen tamamlanmamış olsa da, bilim adamları lazere maruz kalan grafenden bir akım çıktığını tespit etmişlerdir.

Grafen Vücudunuzla İletişime Geçebiliyor

Grafen vücut içerisinde bulunan iyonik sıvılarda yapısı bozulmadan kalabildiği için biyolojik uygulamalar için de umut vaat eden bir malzemedir. Biyonik kulaklar, biyonik gözler, vb birçok ürünün grafen teknolojilerinin geliştirilmesi ile üretilmesi mümkün olabilecektir.

Henüz biyoelektronik ve biyo malzeme olarak kullanımı için yapılan araştırmalar çok başlarda olsa da, Araştırmacılar gelecek için oldukça umut taşımaktadır. Manchester Üniversitesinden Dr. Vijayaraghavan’a göre; grafenin vücutla iletişime geçebilme potansiyeli mevcuttur. Bu konuda Times dergisinde “grafen sensörler sinir sitemini tarayabilir ya da hücrelerinizle konuşabilir” diye yorumlar yapılmıştır.

Grafen ve Batarya Teknolojisi

Grafen dayanıklı ve etkili enerji tutan bir malzeme olduğundan, pil teknolojisinde de devrim yapması beklenmektedir.  Ayrıca grafen çok dayanıklı olup, silikonun yerine kullanılabilecek ve şarj kapasitesini artıracaktır.

Grafen araştırmaları ile 2010 yılı Nobel ödüllü Manchester Üniversitesindeki araştırmacılar Andre Geim ve arkadaşları, grafen tabanlı yarı geçirgen zarın atmosferdeki hidrojen gazını “süzmesi” ve elektrik üretilmesi için kullanılabileceğini söylemişlerdir. Ekip Reuters haber ajansına “Bu ultra ince ve ultra dayanıklı malzemenin yakıt pili teknolojisinde temiz enerji kaynakları üretmede yeni kapılar açacağını” da bildirmişlerdir.

Çalışmanın en can alıcı noktası ise, grafen tabanlı yarı geçirgen zarların hidrojeni atmosferden direk alabilmesidir. Bu teknoloji yakıt pilleri ile birleştirildiğinde havadaki az miktardaki hidrojen ile mobil elektrik jeneratörleri üretmek mümkün olacaktır. Yani atmosferden alınan hava elektrik olarak kullanılabilecektir.

Texas Üniversitesi’nde yapılan araştırmalarda, grafen temelli daha yüksek kapasiteli ultra kapasitörler de üretilmiştir. Sonuçta geleneksel pillere oranla iki kat daha fazla kapasite temin edilmiştir.  Northwestern Üniversitesi araştırmacıları ise grafen ve silikondan oluşan bir pil üzerinde çalışarak, 15 dakikalık bir şarjın bir hafta kullanılabildiğini görmüşlerdir. Yani grafenle sürekli şarj cihazı arama devri de sona ereceğe benziyor.

Grafenin Potansiyel Kullanım Alanları

Avrupa Komisyonu Ocak 2013’te, önümüzdeki 10 yıl için “grafen araştırma ve geliştirme yatırımlarına”            1 milyar € destekte bulunduğunu duyurmuştur. Bu desteğin amacı laboratuvarlarda devam eden araştırmaların sonuçlandırılarak “grafenin seri üretimine geçilmesini” ve piyasada yaygın kullanımını sağlamaktır.

Üretimi silikon tabanlı olanlara kıyasla daha kolay olan “grafen malzemesinden üretilmiş” transistörlerin, gelecekte sinyal işlemek  amacıyla;

• Radyo Frekans (RF)devrelerinde,
• Akıllı telefonlarda ve
• Diğer küçük cihazların RF sinyal filtrelerinde kullanılabilecektir.

Yatırımcılar ise bu malzemenin üretimine ilişkin Ar-Ge çalışmalarının uzamış olması nedeniyle sabırsızlık göstermektedir. Ancak bilim insanlarını ürün geliştirme çalışmalarının biraz daha zaman alacağını ve ticari uygulamaların ancak 2020 yılından sonra anlamlı olabileceğini ifade etmektedirler.

Bugün, klasik bakır malzemeden üretilmiş antenler ile çok küçük cihazların, düşük güç ile haberleşmesi neredeyse imkânsızdır. Mikron ölçeğindeki metal antenler ile yüzlerce terahertz frekansa ve çok yüksek güçlere gereksinim duyulmaktadır. Ancak grafen malzemesinin özellikleri nedeniyle, “düşük güçle çalışan” cihazların birbirleriyle haberleşmesi mümkün olabilecektir.

Grafenin karbon atomlarından oluşan “bal peteği yüzey yapısı”, elektronik yüzey dalgalarını üreterek, büyük antenlerin yaptığı işi “1 mikron uzunlukta ve 10-100 nanometre genişlikte” antenlerle yapması sağlanacaktır. Bu antenler ile 0,1ve10 tera hertz bandında çalışma sağlanabilecektir.

Küçük cihazlara haberleşme yeteneği sağlanması ve yüzlerce grafen anten alıcı-vericisinin biraraya gelmesiyle“mobil telefonların ve internete bağlı dizüstü bilgisayarların” daha hızlı haberleşmesi sağlanabilecektir.

LTE teknolojisiyle birlikte mevcut hücresel sistemlerde saniyede “1 gigabit veri aktarımına” ulaşan hızların, kullanılan bandın terahertz olmasıyla birlikte “terabit/sn” seviyelerine ulaşması beklenmektedir. Bu değerler, Grafenin kullanımının yaygınlaşmasında büyük önem taşımaktadır. Grafenin önümüzdeki süreçte aşağıdaki alanlarda  yaygın şekilde kullanılacağı öngörülmektedir.

• Bataryaların ultra hızlı şarj edilmesi
• Radyoaktif atıkların daha kolay temizlenebilmesi
• Hızlı flash hafızalar
• Güçlü ve daha dengeli aletler ve spor ekipmanları üretilmesi (tenis raketi gibi )
• Grafen temelli güncellenebilen elektronik kağıtlar
• Su geçirmeyen kıyafetler
• Daha sağlam ve hafif uçaklar ve koruma ekipmanları
• Doku yenilenmesinde yardımcı malzeme olarak kullanmak
• Tuzlu suyu, içilebilir suya dönüştürmek
• Elektronik kağıtlar
• Su filtreleme
• Küçük ve verimli biyosensör cihazlar
• Doğrudan vücuttaki nöronlara bağlanabilen biyonik cihazlar

Grafen Sensörler

Grafenin hacimsel, ağırlık ve parasal olarak taşıdığı avantajlar nedeniyle,  Sensör teknolojilerinde grafen kullanımının yakın gelecekte büyük ölçüde artacağı ve bunların üretiminin önemli bir alan olacağı  hesaplanmaktadır.

Son yıllarda bu konuda araştırmalarda bulunan Andre GEIM ve ekibi grafen yüzeyine azot dioksit moleküllerini entegre etmeyi büyük oranda başarmıştır.

Grafen sensörlerin, Grafen malzemenin sahip olduğu özellik nedeniyle boyutlarının ve ağırlıklarının çok küçük olması, çok az enerjiye ihtiyaç duymaları ve bu nedenle aylarca, hatta yıllarca ilave bir enerji gereksinimi olmadan çalışabilecek olmaları önümüzdeki yakın süreçte apayrı bir “sensor” tekolojisinin ortaya çıkmasına yol açacaktır. Bu sensörlerin kullanım alanlarının sınırını bugünden söylemek gerçekten çok güçtür.

Ancak bunların özellikle boyutları  ve enerji gereksinimlerinin hemen hemen hiç olmaması, Grafen sensörlerin yakın süreçte sadece dış ortamdan (çevremizden)  büyük datalar alarak yaşantımıza yol vermekle kalmayacak, aynı zamanda bu sensörler insan vücudunda da yoğun bir şekilde farklı fonksiyonların kontrolu için kullanılabilecektir. Hepsi farklı analiz ve fonsiyonlar ile görevli olan Grafen sensörler kontrol ettikleri organlara ilişkin tanıları, bir kaç yıl sonra yaşantımıza katılacak olan 5G teknolojisinin de yardımıyla ilişkili oldukları “server”lara aktarılacalardır. 5G teknolojisinde “gecikme zaman”ının  mikro saniyeler düzeyinde olması, Grafen sensörlerin iletecekleri bilginin en kısa sürede karar vericilere iletilmesine olanak sağlayacaktır.

Sonuçta vücudumuzda dolaşan onlarca sensör ve bunların iletecekleri tanıları içeren yoğun bir data iletişimi ile yakın bir süreçte yaşantımızın çok daha farklı olması kaçınılmazdır. Ancak onlarca sensörün iletecekleri tanılar ile yaşantımızdaki yol açacağı değişikliklerin Sosyal Bilimciler tarafından incelenmesi gereken bir olgu olarak değerlendiriyorum.

Yani, yakın bir süreçte yeni tür sensörler ile yaşantımızda çok önemli değişikliklerin olması kaçınılmaz gözüküyor.  Bu konuda belki tartışılması gereken diğer önemli bir husus ise; bu sensörlerden gelecek bilgilere yapılacak uygulama konusunda  karar vericilerin insanmı olacağı, yoksa makinaların bizim adımıza mı karar verecek olmalarıdır???