Grafen, teknolojiyi nasıl değiştirebilir?

Çoğu iyi fikir gibi grafenin başlangıcında da kalem var. 500 yıldan uzun süredir kaleminizin içerisindeki kurşunu üretmekte kullanılan grafitten türeyen grafen, yirmi birinci yüzyılın mucize maddesi haline gelmiş durumda. Grafen, dünyanın en güçlü, en ince ve en iletken maddesi. Peki grafen, tam olarak nedir? Onu bu kadar önemli yapan ne?

Teorik olarak 1940'dan bu yana üretilmesi mümkün olan grafen, 2004'te University of Manchester'dan Konstantin Novoselow ve Andre Geim tarafından üretildi. İki bilim adamı da alanında öncülük yapacak olan bu çalışmaları için 2010'da Nobel Ödülü'nü kazandılar. Bunun ardından grafeni ticari hale getirmeye yönelik büyük bir yarış başladı.

Süper güçlü, süper ince ve süper esnek grafen, elektriği bakırdan daha iyi iletirken, ısıyı termal iletkenliği bilinmekte olan tüm maddelerden daha iyi iletiyor. Saydamlığa yakın karbon grafit molekülleri, sadece bir atom inceliğindeler. Peki grafen, tam olarak ne işe yarıyor?

Devamı, sonraki sayfamızda.

Teknolojide grafen

Telefonların inceliğini milimetrelerle ölçen bir sektörde grafen, çok çekici bir madde. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) kıdemli üyelerinden Dr. Kevin Curran, bir milimetre inceliğe ulaşmak için bir milyon grafen yaprağının üst üste gelmesi gerektiğini söylüyor ve ekliyor: "cihazları birkaç milimetre inceltebilecek herhangi bir teknoloji, son derece değerlidir." Grafen, hafif bir madde olmasına karşın çelikten 200 kat daha güçlü olduğu söyleniyor.

Grafenin taşınabilir cihazlarda sağlayabileceği en önemli geliştirme ise pil ömrü olabilir. Curran'a göre grafen, "lityum pilleri şu anki elektriksel kapasitesinin 10 katına çıkarabilecek potansiyele sahip". Bu gerçek olursa, akıllı telefonlarımız tek şarjla bir hafta ayakta kalabilecek demektir.

Grafen'in esnek geleceği

Grafen, "Nesnelerin interneti" cihazları ve giyilebilir teknolojilerle aradığı yeri bulabilir. Grafen, radyo frekansı kimlik etiketlerinin (RFID) iletkenliğini 50 kez artırıyor. Bu tür etiketlerin, kablosuz veri aktarımı, nakliye, çocuk ve evcil hayvan takibinde kullanımıysa her geçen gün artıyor. University of Manchester'daki bilim adamları, Mayıs ayında daha güçlü RFID etiketleri ve kablosuz sensörler sunabilen bir grafen anten tanıtmışlardı.

Sıkıştırılmış grafen mürekkebinden üretilen anten, bükülebiliyor, alüminyum / bakır RFID etiketi yerine kağıt veya plastik üzerine yazdırılabiliyor. Bu sayede yük veya bagaj üzerine RFID etiketi iliştirmek yerine, check-in masasında mürekkeple damgalama yöntemi kullanılabiliyor.

Süper hızlı bilişim

Grafenin telekomünikasyon alanında da devrim yapma potansiyeli var. Curran, araştırmacıların şu anki internet omurgasının 100 katı hızlara ulaşabildiklerini söylüyor ve şöyle devam ediyor: "Bilgileri optik kablolar üzerinden yönlendiren optik switch'ler, şu an birkaç pikosaniye oranında cevap veriyorlar - bu, saniyenin yaklaşık trilyonda birine denk geliyor. Grafenle bu, yüz femtosaniyeye, yani neredeyse 100 katına yükseltilebiliyor."

Elektronlar, grafen üzerinde neredeyse ışık hızında hareket ediyorlar. Bu, silikon üzerindekinden yaklaşık 250 kat daha hızlı hareket ettikleri anlamına geliyor. Bu yüzden grafenin parlayacağı alan, süper hızlı transistörler olabilir. Silikonun yerine geçebilecek bir madde, senelerdir aranıyor ancak grafenin silikonu tahtından edebilmesi için çözülmesi gereken ciddi bir sorun var. Curran, sorunu şöyle açıklıyor:

"Grafen transistörleri kapatması zor ve bu, her şeyi imkansız hale getirebilir. Çünkü elektronik cihazlarda kapalı durumu kullanarak akımı durdurmanız gerekir ve transistör kapalıyken enerji yitimi yaşanmaz." Bu sorun "band-gap sorunu" olarak da biliniyor.

Önemli destekçileri var

Cambridge merkezli FlexEnable'ın üzerinde çalıştığı "iki boyutlu maddeler yoluyla üretilen dönüşümsel esnek transistör cihazı" için planladığı maddeler arasında grafen var. FlexEnable, grafen ve diğer gelişmiş maddelerin akademiden sektöre kazandırılması için bir Avrupa Birliği girişimi olan Graphene Flagship'e henüz katılmış bulunuyor. Bu girişimin 140+ üyesinin arasında Nokia, Airbus, Alcatel Lucent, Philips, BASF, Ericsson ve BAE gibi firmalar var. Daha hafif uçakları, daha hızlı internet bağlantısını ve daha hızlı çalışan cihazları düşünmek bile heyecan verici.

Peki, grafen neden hala ticari hale gelmedi? FlexEnable'ın teknik yöneticisi Mike Banach, grafenin bir teknoloji değil, madde olduğunun altını çiziyor. "Yeni maddelerden iyi bir teknoloji geliştirmek, zaman alır. Grafenin eşsiz özelliklerinden faydalanan yeni uygulamalar ortaya çıktıkça, maddenin daha geniş biçimde ticarileşeceğine inanıyorum" diyor Banach.

FlexEnable, geçtiğimiz sene saydam grafen iletkeninden oluşan, esnek transistör dizisiyle entegre edilmiş, gerçek anlamda esneyebilen bir ekran göstermişti. Amaç ise plastik üzerinde tamamen saydam olan iletken katmanı kullanarak, esnek, kırılmayan LCD ve OLED ekranlar üretmek. Bu tür ekranların pazarının 2020'de 38 milyar dolar olacağı tahmin ediliyor.

Hassas gerçek

Ancak henüz gelişmemiş grafen üretim sektörünün aşması gereken büyük bir sorun var. Curran, grafenin üretim işlemleri nedeniyle kırılgan olduğunu ve üretimde başka zorlukların da yaşandığını söylüyor. Bunun yanında grafenin insan sağlığına zararlı olma potansiyeli var. Curran, çok küçük, keskin kenarlı bu maddenin akciğer ve cilt hücrelerine takılabileceğini, hücre zarlarını parçalayarak işleyişlerini bozabileceğini söylüyor.

Zor bulunuyor ve pahalı

Grafeni üretmesi kadar, bulup çıkartması da zor. Güney Kore, Türkiye, Hindistan, Ukrayna, Kuzey Kore, Brezilya ve Çek Cumhuriyeti'nde grafit üreticileri bulunsa da grafit çıkarma işleminin büyük bölümü Çin'de gerçekleşiyor. Maddenin son yıllarda üçe katlanan fiyatı, onu British Geological Survey'in kimyasal elementler veya ekonomik değerleri bulunan element grupları "risk listesine" sokmuş durumda.

Silikon üretmek çok daha ucuz

Fiyattaki artış, golf kulüpleri, tenis raketleri ve elektronik bileşenlerde grafite olan talep artışından kaynaklanıyor. Curran, bir iğnenin ucunu kaplayacak kadar grafen üretmenin 1.000 euro ile 3.000 euro arasında maliyetinin bulunduğunu söylüyor. Bunu bir cep telefonuna yayarsak, ortaya oldukça yüksek bir rakam çıkıyor. Curran'a göre "elektronik cihazlarda kullanılan silikon, 800 kat ucuza üretiliyor", bu yüzden yarıiletkenler, muhtemelen yerlerini yakın zamanda grafene bırakmayacaklar.

Yine de bu durum, mucize maddenin 10.000'den fazla patentte isminin geçmesine engel olmadı. Patentlerde elektrikli taşıt pillerinden uçaklara, süper-hızlı telefon şarj adaptörlerinden tıbbi tanı cihazlarına, spor ekipmanlarından yüksek binalara her şey var.

Grafenin bir evin duvarlarında kullanılarak ("fotovoltaik boya"), tüm duvarları güneş ve ısıyı elektriğe dönüştürülmesi mümkün olabilir. Grafenin radyasyonu emebileceği ve felç tedavisinde kullanılabileceği bile söyleniyor.

Ancak grafenin gerçek potansiyeli, toplu üretim ve band-gap sorunları bilim adamları tarafından çözülene kadar teoride kalacak. Gerçek şu ki bu sorunların ikisinden birinin çözülmesi, on yıllarımızı alabilir.