Grafen (Graphene) Nedir

Grafen (Graphene) Nedir?

Basit terimlerle grafen, altıgen bir bal peteği örgüsüne sıkıca bağlanmış, tek bir karbon atomu katman tabakasıdır (tek tabaka). Daha karmaşık terimlerle, grafen, 0.142 nanometre moleküler bağ uzunluğuna sahip sp2-bağlı atomların bir düzlemi şeklinde bir karbon allotropudur. Grafen katmanları, birbirlerinin üzerine istiflenmiş , 0.335 nanometrenin eşzamanlı aralığı ile grafit oluştururlar . Grafit içindeki ayrı grafen katmanları van der Waals kuvvetleri tarafından bir arada tutulmaktadır.

Grafen (Graphene) Nedir

Grafen, bir atom kalınlığında insan tarafından bilinen en ince bileşiktir, bilinen en hafif malzemedir (1 metrekare yaklaşık 0.77 miligram ağırlığındadır), en güçlü bileşik (çelikten 100-300 kat daha güçlü ve 150.000.000 psi’lik bir gerilme sertliği ile) keşfedilmiştir. oda sıcaklığında en iyi ısı iletkeni ((4.84 ± 0.44) × 10 ^ 3 – (5.30 ± 0.48) × 10 ^ 3 W · m − 1 · K − 1 değerinde) ve ayrıca bilinen en iyi elektrik iletkeni (çalışmalar) elektron hareketliliğini 200.000 cm2’den daha yüksek değerlerde göstermiştir. · V − 1 · s − 1). Grafenin diğer önemli özellikleri , spektrumun görünür ve yakın kızılötesi bölümleri boyunca düzgün bir şekilde absorbe edilmesidir (πα ≈% 2.3) ve dönüş taşınımında kullanım için potansiyel uygunluğudur.

Bunu akılda tutarak, karbonun insan vücudunda en bol bulunan ikinci kütle ve evrendeki (bol miktarda) hidrojen, helyum ve oksijenden sonra en bol bulunan dördüncü element olduğunu bilmek şaşırtıcı olabilir. Bu, karbonu dünyadaki bilinen tüm yaşamın kimyasal temeli haline getirir, bu nedenle grafen neredeyse sınırsız sayıda uygulama için ekolojik olarak uygun, sürdürülebilir bir çözüm olabilir . Grafenin keşfedilmesinden (veya daha doğru bir şekilde mekanik olarak elde edilmesinden) beri, farklı bilimsel disiplinlerdeki uygulamalar, özellikle yüksek frekanslı elektronik, biyo, kimyasal ve manyetik sensörler , ultra geniş bant genişliğinde fotodetektörlerde ve enerjide büyük kazanımlar elde ederek patladı. depolama ve üretim.

Grafen yapımları zorlukları
Grafinin başlangıçta ticari kullanımlarda gelişimsel araştırmalar için mevcut olmasını engelleyen problem, yüksek kaliteli grafenin yaratılmasının, monokrom olarak tek bir tabaka halinde grafen yetiştirmek için toksik kimyasalların kullanılmasını içeren çok pahalı ve karmaşık bir işlem (kimyasal buhar tasfiyesi) olmasıdır Platin, Nikel veya Titanyum Karbür’ün yüksek sıcaklıklarda etilen veya benzene maruz bırakılması. Ayrıca, daha önce metalik bir substrattan başka bir şey üzerinde kristal epitaksi kullanarak grafen katmanlarını büyütmek imkansızdı. Bu, elektronikte kullanımını ciddi bir şekilde sınırladı; o zamanlar, grafen katmanlarını metalen substratından grafene zarar vermeden ayırmak zordu.

Bununla birlikte, 2012’de yapılan çalışmalar, grafenin arayüzey yapışma enerjisini analiz ederek, grafeni, büyüdüğü metalik panelden etkili bir şekilde ayırmanın mümkün olduğunu, bununla birlikte tahtayı teorik olarak sonsuz sayıda tekrar kullanabilmenin mümkün olduğunu buldu. Daha önce bu işlem tarafından oluşturulan toksik atıkların azaltılması. Ayrıca, bu yöntem kullanılarak ayrılan grafen kalitesi, başarılı bir şekilde moleküler elektronik cihazların yaratılması için yeterince yüksek olmuştur.

Bu araştırma çok dikkate alınmasına rağmen, üretilen grafenin kalitesi teknolojik uygulamalarda hala sınırlayıcı faktör olacaktır. Grafen, düşük sıcaklıklarda kimyasal buhar bırakma kullanılarak çok ince metal parçalarında ya da diğer isteğe bağlı yüzeylerde (onlarca nanometre kalınlığında) üretildikten sonra, dalgalanmalar, katkılama seviyeleri ve alan büyüklüğü gibi kirleri kontrol edebilecek şekilde ayrılmış halde ayrıca ayrılabilir. grafen katmanlarının sayısının ve göreceli kristalografik yönünün kontrol edilmesiyle, üretim teknikleri daha basitleştirilmiş ve uygun maliyetli hale geldikçe grafenin daha yaygın bir şekilde kullanıldığını görmeye başlayacağız.

Grafen (Graphene) Nedir

Potansiyel uygulamalar
Edebilme grafen dışına süperkapasitörlerin yaratmak muhtemelen çok uzun bir süre içinde elektronik mühendisliğinde büyük adım olacaktır. Elektronik bileşenlerin gelişimi son 20 yılda çok yüksek bir oranda ilerlerken, piller ve kapasitörler gibi güç depolama çözümleri, boyut, güç kapasitesi ve verimlilik nedeniyle birincil sınırlayıcı faktör olmuştur (çoğu pil tipi çok verimsizdir). ve kapasitörler daha da azdır). Örneğin, mevcut lityum-iyon pillerin geliştirilmesiyle, enerji yoğunluğu ve güç yoğunluğu arasında bir denge oluşturmak zordur; Bu durumda, esas olarak birinden diğerine ödün vermekle ilgili.

Yapılan ilk testlerde, lazerle çizilen grafen (LSG) süperkapasitörlerinin (grafenin bilinen en elektronik iletken malzeme olduğu, metre başına 1738 siemende (aktif karbon için 100 SI / m’ye kıyasla), karşılaştırılabilir güç yoğunluğu sağladığı gösterilmiştir) Bugün kullanılan yüksek güçlü lityum-iyon akülere. Sadece bu değil, aynı zamanda LSG süper kapasitörler oldukça esnek, hafif, şarjlı, ince ve daha önce de belirtildiği gibi üretilmesi oldukça ucuz.

Grafen aynı zamanda sadece pillerin kapasitesini ve şarj oranını artırmakla kalmaz, aynı zamanda uzun ömürlüdür. Şu anda, silikon gibi malzemeler büyük miktarlarda enerji depolayabiliyor olsa da, bu miktar her şarj veya şarjda büyük ölçüde azalmaktadır. Örneğin lityum iyon pillerde anot olarak kullanılan grafen kalay oksit ile, piller şarjlar arasında çok daha uzun süre dayanabilir (potansiyel kapasite 10 kat arttı) ve şarjlar arasında depolama kapasitesinde neredeyse hiç azalma olmadan, etkili bir şekilde Elektronik motorlu taşıtlar gibi teknolojilerin gelecekte çok daha uygun bir ulaşım çözümü haline getirilmesi. Bu, pillerin (veya kapasitörlerin) daha uzun süre dayanacak ve daha önce gerçekleştirilenden daha yüksek kapasitelerde geliştirilebileceği anlamına gelir.

Grafen (Graphene) Nedir

Tüketiciler, evde kullanılmak üzere grafen tarafından geliştirilmiş ürünleri zaten satın alabilirler. Bir şirket halihazırda piyasadaki iletken mürekkebi üretti ve teklif etti (ilk olarak 2011 yılında Cambridge Üniversitesi’ndeki araştırmacılar tarafından geliştirildi). Bu, elektrotları doğrudan kağıda yazdırmanızı sağlayan küçük grafen pullarının mürekkeple etkili bir şekilde karıştırılmasıyla yapılır. Bu daha önce organik yarı iletken mürekkep kullanılarak mümkün olsa da, grafen pullarının kullanılması, basılı malzemenin çok daha iletken ve dolayısıyla daha verimli olmasını sağlar.

Grafen için, daha önce belirtilenlere benzer çizgiler boyunca bir başka kullanım, boyadakidir. Grafen yüksek derecede inert olup, oksijen ve su difüzyonu arasında bir korozyon bariyeri görevi görebilir. Bu, gelecekteki taşıtların korozyona dayanıklı olabileceği anlamına gelebilir, çünkü grafen herhangi bir metal yüzeye (doğru koşullar verildiğinde) yetiştirilebilir. Gücünden dolayı, grafen şu anda koruyucu giysilerde Kevlar için potansiyel bir yedek olarak geliştirilmekte ve sonuçta araç imalatında görülmekte ve muhtemelen bir inşaat malzemesi olarak kullanılmaktadır.

Grafen, elektronların silikondan ziyade iletilmesinde çok daha etkili olduğu kanıtlanmış olduğundan ve elektronları çok daha hızlı bir hızda aktarabildiği için (nispeten konuşma, saniyede 1000 kilometre, silikondan 30 kat daha hızlı), Samsung gibi tüketici elektroniği şirketlerinden ürünleri görmeye başlıyor (telekomünikasyon ve elektronikte grafen kullanımlarını araştırmak için para harcıyor ve elektronik cihazlarda grafen kullanımı ve üretimi ile ilgili çok sayıda patent almış durumda) mobil akıllı telefonlar ve kol saatleri gibi esnek, sağlam, dokunmatik ekranlı aygıtları temel alır.

Bu, katlanabilir televizyon ve telefonların ve nihayetinde ilgilendiğiniz tüm yayınları içeren ve kablosuz veri aktarımı yoluyla güncellenebilen elektronik esnek gazeteler anlamına gelebilir. Son derece saydam olduğundan, önümüzdeki yıllarda (potansiyel olarak) sanal perdelerle veya seçtiğiniz yansıtılan görüntüleri göstererek akıllı (ve son derece sağlam) pencereleri evinize yerleştirmeyi de bekleyebilirsiniz.

Bahsedilen bu potansiyel kullanımların birkaçını birleştirerek, aracınızdaki boyaya bağlı araç güvenlik sistemlerini hayal edebiliyor musunuz? Sadece araba alarmınız birisinin aracınıza dokunup dokunmadığını size söyleyemez, aynı zamanda bu bilgileri kaydedebilir ve akıllı telefonunuz üzerinden gerçek zamanlı olarak size gönderebilir. İlk temas yamalarını ve sonuçta ortaya çıkan enerji dağılımını belirlemek için araç kazalarını analiz etmek için de kullanılabilir.

Yakında grafenle güçlendirilmiş fotovoltaik hücreler ve süper kapasitörler içeren giysiler görmeye başlayacağız, bu da cep telefonlarını ve tablet bilgisayarlarımızı birkaç dakika (hatta birkaç saniye) okula veya işe yürüyerek giderken şarj edebilmemiz anlamına gelecek. Elektriksel deşarj kullanımıyla istenmeyen temaslara karşı koruma sağlayan güvenlik odaklı kıyafetleri bile görebiliriz.

Oyun değiştirici
Bütün bunların anlamı, bir fizik profesörü ve doktora öğrencisinin Manchester’daki bir laboratuvarda, bir grafit ve bazı Scotch kaset kullanarak yaptığı bu keşif, bilim adamları, mühendisler olarak yeteneklerimizin potansiyel sınırlarına bakma biçimimizde tamamen devrim yarattı. ve mucitler. Sahip olduğumuz materyaller ve bilgilerle elde edebileceğimizin olasılıkları tamamen açığa çıkmıştır ve şimşek çakması, süper küçük bilgisayarlar, görünmezlik pelerinleri, geçen haftaların akıllı telefonları gibi inanılmaz muhtemel durumları hayal etmek akla gelebilir. şarjlar ve katlayabildiğimiz ve nereye gidersek gidelim ceplerimizde taşıyabileceğimiz bilgisayarlar arasında.

Grafen’in Yapısını ve Özelliklerini merak ediyorsanız, bu yazımızı okuyabilirsiniz.

Grafen’in Hayatımıza getirecegi kolaylıklar neler? Videoyu izleyin lütfen.

 

 

1 Yorum

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here