Malzemede ikinci boyut: Borofen

ROKETSAN tarafından altı ayda bir yayımlanan “ROKETSAN Dergi”nin 16. sayısında, ROKETSAN Özel Metal Dışı Malzemeler ve Yenilikçi Proses Teknolojileri Birimi mühendislerinden Bilgehan Çetinöz, Öksüz Berk ve Doğu Barış Akgün’ün borofenle ilgili yazısına yer veriliyor.

“ROKETSAN Dergi”nin 16. sayısına, mobil uygulamamızın dergi bölümünden ücretsiz olarak ulaşabilirsiniz.

Dergide yer alan “Malzemede İkinci Boyut: Borofen” başlıklı yazıyı, takipçilerimize sunuyoruz:

Borofen: Grafenden daha güçlü, daha esnek; elektrokimya, nanosensör ve katalizör kimyasında devrim yaratacak potansiyele sahip malzeme.

İki boyutlu (2B) malzemeler (bir boyutu nano olan malzemeler) çok çeşitli uygulama alanlarına sahip olmaları nedeniyle son yıllarda malzeme biliminde oldukça ilgi çekmeye başlamıştır. Bu malzemeler arasında bilim dünyası tarafından en bilineni şüphesiz ki güçlü, esnek bir yapıya ve aynı zamanda mükemmel elektrik ve ısıl iletkenlik özelliklerine sahip, karbon atomlarından oluşan grafendir. 2004 yılında GEIM ve NOVOSELOV tarafından grafenin keşfinin ardından, 2010 yılında bu başarılarından dolayı kendilerine Nobel ödülü verilmesi grafenin popülerliğini daha da artırmıştır. Grafenin bu başarısı bilim dünyasını farklı 2B malzeme arayışına yöneltmiştir. Uzun bir süre grafen ile yarışacak yeni bir malzeme keşfedilemezken 2015 yılında borofenin sentezlenmesi ile tüm dengeler değişmiştir.

Borofenin mikroyapısı incelendiğinde, tek katmanlı hegzagonal yapıda dizilmiş bor atomlarından oluştuğu gözlenmektedir. Bununla birlikte yapılan çalışmalar borofenin birçok farklı atom dizilimine ve farklı faza sahip olduğunu göstermektedir. Şekil 1’de bu fazlara ait örnekler gösterilmektedir. Her bir dizilim ve faz, farklı elektronik, mekanik ve optik özellikler göstermektedir. Ayrıca yapısındaki boşlukların konumlandırılmasına ve miktarına bağlı olarak da borofen farklı karakteristik özellikler sergilemektedir. Bu noktada borofenin kristal yapısında çeşitli modifikasyonlar yapılarak farklı uygulama alanlarına göre istenilen özellikleri elde etmek mümkündür.

Nano malzeme üretiminde kullanılan yöntemler borofen sentezi için de kullanım potansiyeli olarak değerlendirilmektedir. Bununla birlikte borofen sentezi grafene kıyasla içerdiği karmaşık bağ yapılarından dolayı hem daha zor hem de daha maliyetlidir. Borofen ilk kez 2015 yılında moleküler ışın üst bırakımı (İng. Molecular Beam Epitaxy - MBE) yöntemi (Şekil 2) ile tek katmanlı olarak sentezlenebilmiştir. Literatürde borofen sentezine yönelik başarılı olan az sayıda çalışma yer almaktadır. Bu çalışmalar incelendiğinde kimyasal buhar biriktirme (İng. Chemical Vapor Deposition - CVD) ve MBE kullanılan çalışmalarda tek katmanlı borofen sentezlenebilmişken diğer yöntemlerle bu başarılamamıştır. MBE yönteminde, yüksek saflıktaki bor, elektron-ışın buharlaştırıcı yardımı ile kaynaktan yüzeyi temizlenmiş zemin malzemesi üzerine yüksek vakum altında buharlaştırılmaktadır. Bu üretim yönteminde kullanılan altlık ve bulunduğu sıcaklık, elde edilecek olan borofenin yapısında önemli rol oynamaktadır.

Literatürde sürdürülen borofen çalışmaları henüz yeni olmasına rağmen borofenin birçok farklı kullanım alanı şimdiden ortaya çıkmaya başlamıştır; bataryalar, hidrojen depolama, esnek elektronikler (esnek elektrotlar ve nanoelektronik kontaklar/yüzeyler), süperkapasitörler, süperiletkenler, biyomedikal araçlarda kullanılan elektronik ve optik devreler, biyosensörler, katalizörler, sıcaklık yönetim sistemleri, yeni nesil giyilebilir araçlar, kuantum bilgisayarlar, nanokompozit malzemelerde takviyeler bunlardan bazılarıdır. Mekanik özellikler açısından literatürde yapılan çalışmalar incelendiğinde, borofenin yüksek esneklik değerine sahip olduğu görülmektedir. Özellikle uzay uygulamalarında esnek nano malzemelerin büyük bir öneme sahip olduğu bilinmektedir. Esnek elektrik devreleri hem daha az yer kaplayıp hem daha hafif olmaları nedeniyle uzay uygulamalarında ihtiyaç duyulan bir teknoloji olarak değerlendirilmektedir. İdeal mukavemete sahip oluşu, yapısal esnekliği ve yüksek elastikiyet özelliği ile borofenin esnek baskılı devre kartı (İng. Printed Circuit Board - PCB) üretimi için alternatif bir malzeme olabileceği düşünülmektedir. Bilindiği üzere bir malzemenin esnekliği artarken mukavemeti düşmektedir. Borofenin hem yüksek esnekliğe hem de ideal bir mukavemet değerine sahip olması onu diğer malzemelerden üstün kılmaktadır.

Borofenin polimer ve seramik matrisli kompozitlerde çeşitli özelliklerin iyileştirilmesine yönelik takviye malzemesi olarak kullanılma potansiyeli oldukça yüksektir. Borofenin, polimer matrisli kompozitlerde matris fazı içerisine çok az miktarlarda eklenerek mekanik olarak son ürünün özelliklerini ciddi anlamda iyileştirebileceği öngörülmektedir. Bu kapsamda grafen ile sürdürülen çalışmalarda elde edilen umut vadedici sonuçlar borofenin de bu amaçla kullanılabileceğini ortaya koymaktadır. Borofenin, elektromanyetik girişim kalkanlama (İng. Electromagnetic Interference - EMI) amaçlı uygulamalarda iletken polimerler içerisinde katkı malzemesi olarak kullanıldığında, yapıya mekanik açıdan bir kararlılık sağlayabileceğini öngören çalışmalar bulunmaktadır. Seramiklerin kırılma tokluk değerlerinin diğer malzeme gruplarına kıyasla görece düşük olduğu bilinmektedir. Bu kapsamda borofenin sahip olduğu yüksek esneklik ve ideal mukavemet değeri nedeniyle kompozit yapı içerisine eklenerek seramiklerin tokluk özelliklerinin iyileştirilmesine katkıda bulunabileceği düşünülmektedir. Literatürdeki çalışmalar; 2B malzemelerden olan grafenin seramik matrisli kompozitlerde kullanımına yönelik sürdürülen araştırmaların hız kazandığını göstermektedir.

Bu araştırmalar borofenin de seramik matrisli kompozitlerde başta savunma, havacılık ve uzay olmak üzere birçok farklı sektöre yönelik kullanılabilirliğinin mümkün olduğunu işaret etmektedir. Borofenin hesaplamalı analitik yöntemler kullanılarak bulunan termal iletkenlik değeri (14,34 W/mK), grafenin bir çözelti içerisinde ölçülen değerinden (3500 W/mK) oldukça düşüktür. Bu durum borofenin, ısı enerjisinin kontrol edilebilirliğinin istendiği uygulamalarda kullanılmasını mümkün kılmaktadır. Borofene yönelik deneysel çalışmaların hız kazanmasının ardından, bu malzemenin elektriksel, termal, optik ve mekanik özellikleri hakkında daha fazla bilgi elde edilecek ve bu durum borofenin birçok farklı kompozit uygulamasında takviye malzeme olarak kullanılabilirliğinin önünü açacaktır.

Borofenin alkali metal iyon bataryalar, süper kapasitörler ve lityum sülfür bataryalar gibi birçok sürdürülebilir enerji teknolojisinde kullanılabilecek potansiyele sahip olduğu bilinmektedir. Aralarında lityum iyonun (Li-iyon) da bulunduğu bu teknolojiler, cep telefonlarından uzay uygulamalarına kadar her alanda karşımıza çıkmaktadır. Li-iyon bataryalar özellikle uzay uygulamalarında sıkça tercih edilmektedir. Örneğin; Şekil 3. b.’de yer alan Uluslararası Uzay İstasyonu’nda (İng. International Space Station - ISS) Li-iyon bataryalarının (Şekil 3. a.) yer aldığı bilinmektedir. Yapılan teorik bir çalışma, borofen Li-iyon pil hücresinde anot olarak kullanıldığında, bu tür pil hücrelerinde yaygın olarak kullanılan grafite kıyasla 5 katı kadar daha yüksek enerji depolama kapasitesine sahip olduğunu göstermektedir. Li-iyon bataryalarda görülen bu iyileşmenin en önemli sebebi borofenin yüksek yüzey aktivitesine ve gelişmiş iyon iletkenliğine sahip olmasıdır. Yüksek enerji depolama kapasitesine ek olarak, yapılan hesaplamalar borofen anot kullanılan hücre konfigürasyonunda iç direncin daha düşük olması sayesinde grafite kıyasla daha yüksek gerilim elde  edilebileceği yönündedir. Bu sayede daha küçük hacimde ve ağırlıkta daha yüksek enerji üretilebilecektir. Özellikle uzay ve havacılık uygulamalarında kritik bir önem taşıyan yüksek enerji yoğunluğuna sahip bataryaların üretimi borofenin hayatımıza girmesi ile kolaylaşacak gibi gözükmektedir.

Yapılan çalışmalar ortaya koymaktadır ki borofenin hem hafif hem de yüksek aktif yüzey alanına sahip olması, bu 2B malzemenin elektrokimyasal reaksiyonlarda katalizör olarak kullanılmasına zemin hazırlamaktadır. Borofen, elektrokimyasal reaksiyonlarda verimi artırmak ve reaksiyonu hızlandırmak için katalizör olarak kullanılabilmektedir. Bununla birlikte elektriksel özellikleri incelendiğinde, borofenin süper iletken olduğu ve süper iletkenliğini koruduğu sıcaklık aralığının oldukça geniş olduğu, literatürdeki çalışmalardan bilinmektedir.

Bahsedilen uygulama alanları göz önünde bulundurulduğunda borofenin yüksek ölçeklerde sentezlenmesi ile teknolojinin her alanında karşımıza çıkacağı aşikârdır. Özellikle enerji sektöründe Li-iyon, lityum sülfür bataryalarda, süper kapasitörlerde ve metal hava bataryalarda katalizör olarak değerlendirilebilir olması, borofeni uzay uygulamalarında yenilikçi bir çözüm olarak karşımıza çıkarmaktadır. Bununla birlikte borofen, polimer ve seramik matrisli kompozitlerde takviye malzemesi olarak kullanıldığında; son ürünün başta mekanik özellikler olmak üzere elektriksel, termal, sürtünme ve işlenebilirlik özelliklerinin iyileştirilmesine katkıda bulunacaktır. Türkiye, dünya bor rezervinin yaklaşık %73’üne sahiptir. Bu kapsamda var olan borun işlenip teknolojinin her alanında kullanılabilir hâle getirilmesi, ülke rezervinin değerlendirilmesi ve dünyada ön plana çıkması açısından stratejik bir önem taşımaktadır.