Grafenin güvenlik alanında kullanımı

MUCİZE MALZEME “GRAFEN” VE GÜVENLİK ALANINDA KULLANIMI

Grafen karbon atomlarının altıgen şekilde dizildiği ve iki boyutlu yüzeylerden oluşan bir karbon formudur.

Yağlayıcı olarak, elektrik sanayiinde, dökümcülükte, boyacılıkta, elektronik malzeme yapımında, motorlarda, kurşun kalem yapımında ve daha birçok alanda kullanılan ve doğal bir karbon olan grafit, karbon atomlarının altıgen düzende bir araya gelmesi sonucu oluşan ve 3 boyutlu katmanlar halinde bulunan bir maddedir. Grafen ise grafitin tek katmanlı halidir. Altıgen şeklindeki karbon dizilimine sahiptir ancak üç boyutlu yapısı sadece 1 atom yüksekliğindedir. Bu nedenle iki boyutlu malzeme olarak adlandırılmaktadır.

Günümüzde inşaat alanında çelik, bilgisayar alanında silikon, havacılıkta alüminyum en önemli malzemeler olmak üzere, kompozit malzemeler pek çok alanda kullanılmaktadır. Kompozit malzemeler ile karbon fiber dayanıklılığında ve plastiklerin esnekliğinde malzemeler üretebilmektedir. Grafen ise bilinen en üstün yüzey/ağırlık oranına sahiptir. Bal peteği şeklindeki yapısı ile şu ana kadar belirlenmiş en dayanıklı malzemedir. Tek bir atom kalınlığında bir yaprak halinde olduğu için çok hafif ve çok esnektir. Sadece 1 gram grafen ile koskoca bir futbol stadyumunu kaplamanız mümkün olabilir (Bir metrekaresinin ağırlığı sadece 0.77 miligramdır). Görünür ışığın % 2.3’ünü soğurduğu için çıplak gözle görülebilir, ancak yine de saydam olan bir malzemedir.

Grafen dünyanın en ince malzemesidir, insan saçından bir milyon kat daha incedir. Bununla birlikte, çelik ve elmastan daha güçlüdür. Bu, kompozit malzemelerde olağanüstü sertlik ve dayanıklılığa sahip birçok uygulamaya izin verir. Grafen aynı zamanda çok esnektir, bu da giyilebilir cihazlardaki ve katlanabilir elektroniklerdeki uygulamaları hayal etmemizi sağlar. Aynı zamanda şeffaf olduğu için bükülebilir ekranlar için mükemmel bir uyum olacaktır. Ayrıca, grafen büyük bir elektrik ve ısı iletkenidir. Bakır kadar iyi bir elektriksel iletkenliğe ve on kat daha fazla termal iletkenliğe sahiptir. Isıyı dağıtan elektronik devreler, iletken mürekkepler ve boyalar yapmak için kullanılabilir. Daha uzun ömürlü piller yapılabilir. Hafifliği nedeniyle otomotiv ve havacılık alanında, otomobilleri ve uçakları daha hafif hale getirmek için kullanılabilir, bu da yakıt tüketimini ve karbon emisyonlarını azaltabilir.

Bu özellikler “mucize malzeme” olarak anılmasına neden olmuştur. Grafen doğada bulunmayan üç boyutlu malzemelere dönüştürülebilir ve bu malzemelerin özellikleri atomik boyutta kontrol edilebilir.

Grafeni Üstün Yapan Özellikler

- Elektriği en iyi ileten malzemedir.

- Çok küçük bir alanda elektrik iletimi sağlayabildiği için, minyatürize edilmiş süper hızlı bilgisayar ve transistör araştırmalarında oldukça önemlidir. Günümüzde elektronik ürünleri nano boyutta malzemelerden üretiriz. Grafen ile çok daha küçük elektronik cihazlar yapılabilecektir.

- Çelikten 100 ile 300 kat arası daha sağlamdır.

- Bilinen en ince, en hafif ve en sert malzemedir.

- Saydam ve esnektir.

Bu özelliklere sahip bir malzeme ile ancak bilim kurgu filmlerinde gördüğümüz pekçok sistem geliştirilebilir. (Hedefe yönelik ilaç dağıtımı; akıllı implantlar, paslanmayan malzemeler, yiyeceklerin bozulmasını önleyecek ambalajlar, hava koşullarından etkilenmeme, çok hafif uçaklar, bükülebilir telefonlar, saniyeler içinde şarj edilen telefonlar, ultra hassas sensörler, çok hızlı bilgisayarlar, elektrikli araçları şarj eden akıllı otoyollar vb.)

Grafenin Keşfi

2004 yılında Manchester Üniversitesinden iki araştırmacı, Profesör Andre Geim ve Profesör Kostya Novoselov grafitten tek bir tabakayı ayırmayı başararak grafeni elde etmişler ve bu öncü çalışmaları ile 2010 Nobel Fizik Ödülü ile ödüllendirilmişlerdir.

Bu malzemeye olan ilgi, olağanüstü fiziksel özelliklerinden ve gelecek için sunduğu potansiyel uygulamalardan kaynaklanmaktadır. Manchester Üniversitesindeki grafenin keşfi, altıgen bor nitrür ve molibden disülfür dahil olmak üzere iki boyutlu malzeme ailesinin keşfine yol açmıştır.

Dünyada Grafen Çalışmaları

Dünya çapında 200’den fazla araştırma merkezi ve firma grafen üzerine çalışmalar yürütmektedir. Samsung grafen ile esnek ekran geliştirmeye, IBM 7 nanometreden küçük transistörler geliştirmeye çalışmaktadır. Ayrıca, savunma ve güvenlik, sağlık, otomotiv, enerji vb. alanlarda yüksek performanslı ürünler sunma potansiyelinin çok yüksek olduğu, 2025 yılına kadar hızlı bir gelişme olacağı öngörülmektedir. Grafen ile yapılan çalışmalar incelendiğinde; en fazla enerji depolama alanında çalışıldığı ve patentlendiği görülmektedir.

“Ulusal Grafen Enstitüsü (NGI)”, Manchester Üniversitesi bünyesinde 100’den fazla şirket ile birlikte grafen uygulamaları üzerine çalışmaktadır. Yine aynı üniversitede bulunan “Grafen Mühendisliği İnovasyon Merkezi (GEIC)”, firmaların grafen/iki boyutlu özelliklerinden yararlanan yeni teknolojiler ve ürünler geliştirmelerine destek olmaktadır.

“Avrupa Birliği Graphene Flagship Konsorsiyumu”; 22 ülkedeki yaklaşık 170 akademik ve endüstriyel ortağın farklı yetkinliklerini bir araya getirmektedir. Enerji ve ulaşımdan, elektronik ve biyotıbba kadar her alanda grafen ve diğer 2 boyutlu malzemelerin geliştirilmesi için araştırma projelerine destek sağlamaktadır.

Türkiye’de Grafen Çalışmaları

Türkiye’de grafene yönelik pek çok çalışma üniversiteler, araştırma merkezleri ve firmalar tarafından yürütülmektedir. Grafen, iki boyutlu malzemeler ve hetero yapılar ile ilgili gelişmeler yakından izlenmektedir.

Birçok üniversite, araştırma merkezi, Savunma Sanayii Başkanlığı (SSB) ve az sayıda firmada grafen esaslı optik/elektro-optik malzemeler, sensörler, elektronik sistemler, esnek elektronik/optoelektronik uygulamalarına yönelik malzeme üretim teknolojileri, balistik malzemeler, zırhlar, yüksek performanslı lityum iyon pilleri üzerine çalışmalar bulunmaktadır.

Geleceğin harp ortamlarında üstünlük sağlayacağı öngörülen çığır açıcı teknolojilerin kazanılması amacıyla SSB öncülüğünde “Grafen ve İki Boyutlu Malzeme Teknolojileri Odak Teknoloji Ağı” çalışmaları gerçekleştirilmiştir. İki boyutlu malzeme teknolojileri alanında yol haritası oluşturulması için “Elektronik/Optoelektronik”, “Kompozitler, Kaplamalar, Boyalar” ile “Enerji” başlıkları altında kazanılması hedeflenen teknolojiler belirlenmiştir ve rehber bir doküman hazırlanmıştır.

Güvenlik Alanında Grafen

Savunma ve güvenlik uygulamalarına yönelik ürünler kullanıcının performans ve hareket kabiliyetini olumsuz etkilememelidir. Bu nedenle uzun süre dayanım, hafiflik, düşük görünürlük, balistik dayanıklılık önemlidir.

Grafen ile optik ve elektro-optik malzemelerin özelliklerinin geliştirilmesi; merceklerin patlama ve şarapnel etkisine karşı korunması, boyutlarının küçültülmesi, biyolojik ve kimyasal algılayıcılar, giyilebilir sensörlerin üretilmesi, elektronik bileşenlere esneklik kazandırılması, balistik yelek, başlık gibi donanımlarda ve enerji depolama ürünlerinde hafif, mukavemeti yüksek, sıcaklık değişiminden etkilenmeyen, korozyona dayanıklı ve uzun ömürlü malzemeler sağlanabileceği değerlendirilmektedir.

NATO Bilim ve Teknoloji Eğilimleri 2020-2040 raporunda; grafen ve diğer iki boyutlu malzemelerin “gelişen/çığır açıcı teknolojiler” arasında yüksek potansiyele sahip olduğu belirtilmektedir. Grafenin bilinen herhangi bir malzemede bulunmayan mekanik, fiziksel, kimyasal ve elektriksel özelliklere sahip olması nedeniyle özellikle havacılık ve uzay alanında, iz, korozyon, buzlanma önleyici fonksiyonel kaplamalar, batarya teknolojileri, zırh, tekstil, silah teknolojileri, sensörler vb. alanlarda benzersiz ürünler geliştirilebilecektir. Grafen ile; personelin ekipman yükünün azaltılması, hızlı iletişim cihazları ile haberleşme yeteneğinin geliştirilmesi, KBRN tespit sensörlerinin hassasiyetinin artırılması, yüksek mukavemete ve balistik korumaya sahip teçhizata sahip olunması, platformlarda düşük radar yansıma seviyeleri sağlanabilmesi, uzun ömürlü küçük bataryalar ve akıllı tekstil ürünleri kullanılması mümkün gözükmektedir.

ABD İleri Savunma Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA), ABD Uzay Ajansı (NASA), Avrupa Savunma Ajansı (EDA) benzer çalışmaları desteklemektedir. Yapılan çalışmaların artarak devam edeceği, elektronik/optoelektronik, kompozitler, kaplamalar, boyalar ve enerji başlıklarında, savunma sanayi başta olmak üzere birçok sektöre fayda sağlayacağı öngörülmektedir.

Grafen İle İlgili Sorunlar

Şimdilik grafen teknolojilerinde yüksek üretim maliyetleri, standart ve sertifikasyon ile entegrasyon sorunlarının çözülmesi gerekmektedir. Grafeni seri üretime geçirebilmek masraflıdır ve çok fazla hammadde gerekmektedir. Küresel olarak bakıldığında; korozyonun yol açtığı maliyet kaybı, karbon emisyonlarının çevreye verdiği zarar, çevreci olmayan enerji kaynakları, yetersiz sensörler, dayanıksız kaplamalar vb. sorunlarla başa çıkabilecek bir malzemenin keşfi bile başlı başına bir motivasyon kaynağıdır. Bu nedenle grafen, dünyada en çok Ar-Ge yatırımı yapılan alanlardan birisidir.

Sonuç

Grafen ile ilgili maliyet, seri üretim vb. sorunlar çözüldüğü taktirde dünyada önemli değişimlere sebep olacağı aşikardır. Grafen teknolojilerine yönelik araştırma merkezlerinin kurulması ve var olan merkezlerin teşvik edilmesi; Ar-Ge çalışmalarına hız verilmesi önemlidir. Bu sayede savunma, havacılık ve uzay sanayiinin gelişmesi için önemli olan kazanımlar sağlanabileceği gibi sivil alana yönelik kullanımı da hız kazanabilecektir.