Evde grafen yapımı. Grafen ve uygulamaları

Taramalı elektron mikroskobu altında grafen lifleri. Saf grafen, mikrodalga fırında grafen oksitten (GO) indirgenir. Ölçek 40 µm (sol) ve 10 µm (sağ). Fotoğraf: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Rutgers Üniversitesi

Grafen, bir karbon atomu kalınlığında bir katmandan oluşan, karbonun 2 boyutlu bir modifikasyonudur. Malzeme yüksek mukavemete, yüksek ısı iletkenliğine ve benzersiz fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir. Dünyadaki bilinen herhangi bir malzeme arasında en yüksek elektron hareketliliğini sergiliyor. Bu, grafeni elektronik, katalizörler, piller, kompozit malzemeler vb. dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalar için neredeyse ideal bir malzeme haline getirir. Geriye kalan tek şey, endüstriyel ölçekte yüksek kaliteli grafen katmanlarının nasıl üretileceğini öğrenmek.

Rutgers Üniversitesi'nden (ABD) kimyagerler, grafen oksidi geleneksel bir mikrodalga fırında işleyerek yüksek kaliteli grafen üretmek için basit ve hızlı bir yöntem buldular. Yöntem şaşırtıcı derecede ilkel ve etkilidir.

Grafit oksit, grafitin güçlü oksitleyici maddelerle işlenmesiyle oluşan, çeşitli oranlarda karbon, hidrojen ve oksijenden oluşan bir bileşiktir. Grafit oksitte kalan oksijenden kurtulmak ve daha sonra iki boyutlu tabakalar halinde saf grafen elde etmek büyük çaba gerektirir.

Grafit oksit güçlü alkalilerle karıştırılır ve malzeme daha da indirgenir. Sonuç, oksijen kalıntıları içeren monomoleküler tabakalardır. Bu tabakalara genellikle grafen oksit (GO) adı verilir. Kimyacılar GO'dan ( , , , ) fazla oksijeni uzaklaştırmak için farklı yollar denediler, ancak bu yöntemlerle indirgenen GO (rGO), kimyasal buhar biriktirme (CVD) ile elde edilen gerçek saf grafenin özelliklerinden çok uzak, oldukça düzensiz bir malzeme olmaya devam ediyor.

Düzensiz formunda bile rGO, enerji taşıyıcıları ( , , , , ) ve katalizörler ( , , , ) için faydalı olma potansiyeline sahiptir, ancak grafenin elektronikteki benzersiz özelliklerinden maksimum faydayı elde etmek için kişinin saf, yüksek düzeyde üretmeyi öğrenmesi gerekir. GO'dan kaliteli grafen.

Rutgers Üniversitesi'ndeki kimyacılar, 1-2 saniyelik mikrodalga radyasyonu darbeleri kullanarak GO'yu saf grafene indirgemenin basit ve hızlı bir yolunu öneriyorlar. Grafiklerde görülebileceği gibi “mikrodalga indirgeme” (MW-rGO) ile elde edilen grafen, özellikleri bakımından CVD kullanılarak elde edilen en saf grafene çok daha yakındır.

MW-rGO'nun, saf grafen oksit GO, indirgenmiş grafen oksit rGO ve kimyasal buhar biriktirme (CVD) grafeniyle karşılaştırıldığında fiziksel özellikleri. Bir silikon substrat (A) üzerinde biriken tipik GO pulları gösterilmektedir; X-ışını fotoelektron spektroskopisi (B); Raman spektroskopisi ve MW-rGO, GO ve CVD (CVD) için Raman spektrumunda kristal boyutu oranı (La) ila l2D/lG tepe oranı.

MW-rGO'nun rGO ile karşılaştırıldığında elektronik ve elektrokatalitik özellikleri. İllüstrasyonlar: Rutgers Üniversitesi

MW-rGO'yu elde etmek için teknolojik süreç birkaç aşamadan oluşur.

1. Değiştirilmiş Hummers yöntemini kullanarak grafitin oksidasyonu ve su içinde tek katmanlı grafen oksit pulları halinde çözülmesi.
2. Malzemeyi mikrodalga ışınımına daha duyarlı hale getirmek için GO'nun tavlanması.
3. GO pullarını geleneksel 1000 W mikrodalga fırında 1-2 saniye süreyle ışınlayın. Bu prosedür sırasında GO hızlı bir şekilde yüksek sıcaklığa ısıtılır, oksijen gruplarının desorpsiyonu ve karbon kafesinin mükemmel yapılanması meydana gelir.

Transmisyon elektron mikroskobu görüntüleri, grafen tabakalarının yapısını 1 nm ölçeğinde göstermektedir. Solda, oksijen fonksiyonel grupları (mavi ok) ve karbon katmanındaki delikler (kırmızı ok) dahil olmak üzere birçok kusuru olan tek katmanlı rGO bulunmaktadır. Ortada ve sağda mükemmel yapılandırılmış iki katmanlı ve üç katmanlı MW-rGO bulunur. Fotoğraf: Rutgers Üniversitesi

MW-rGO'nun alan etkili transistörlerde kullanıldığında mükemmel yapısal özellikleri, maksimum elektron hareketliliğinin yaklaşık 1500 cm2/V s'ye çıkarılmasına olanak tanır; bu, modern yüksek elektron hareketlilik transistörlerinin olağanüstü performansıyla karşılaştırılabilir.

Elektroniğe ek olarak MW-rGO, katalizör üretiminde de kullanışlıdır: oksijen oluşum reaksiyonunda katalizör olarak kullanıldığında son derece düşük bir Tafel katsayısı göstermiştir: on yılda yaklaşık 38 mV. MW-rGO katalizörü, 100 saatten fazla süren hidrojen oluşum reaksiyonunda da stabil kaldı.

Bütün bunlar, mikrodalga ile indirgenmiş grafenin endüstride kullanımı için mükemmel bir potansiyel olduğunu göstermektedir.

Araştırma Makalesi "Çözelti eksfoliasyonlu grafen oksitin mikrodalgayla indirgenmesi yoluyla yüksek kaliteli grafen" 1 Eylül 2016'da dergide yayınlandı Bilim(doi: 10.1126/science.aah3398).

Evde yüksek teknoloji. Nobel Ödülü sahibi Konstantin Novoselov, hurda malzemelerden kendi başınıza nasıl grafen yapabileceğinizi anlattı. Bilim dünyasında gerçek bir sansasyon yarattı ve gelecekte yemek pişirmeden uzay uçuşlarına kadar her alanda kullanılabilecek.

Nobel ödüllü biri için bir sahne inşa etmek elbette grafeni icat etmek değildir. Fotoğraf ve video slaytlarını görüntüleyen ekran sadece birkaç dakika içinde toplandı. Çerçeve, sabitleme elemanları ve işte burada, minimalizmin büyüsü. Konstantin Novoselov, son zamanların en yüksek profilli bilimsel keşfini anlatan hikaye için ekipmanı sıradan bir sırt çantasında getirdi.

İçeride bir dizüstü bilgisayar vardı. Nobel Fizik Ödülü sahibi, hafif seyahat etmeye alışkın. İzleyicilerden gelen ilk soru - ve hemen hayal gücünü heyecanlandıran bir cevap. Harika bir geleceği olacağı tahmin edilen materyalleri neredeyse herkesin alabileceği ortaya çıktı.

"İhtiyacınız olan tek şey iyi bir grafit satın almak. Prensip olarak kurşun kalem kullanabilirsiniz, ancak iyi bir grafit satın almak daha iyidir. Bunun için 100 dolar harcayacaksınız. Silikon plakalara 20 dolar, banta 1 dolar harcamanız gerekecek. Bu kadar. 121 dolar, size söz veriyorum, muhteşem grafenin nasıl yapıldığını öğreneceksiniz" dedi bilim adamı.

Bilim dünyasının bu keşif hakkında hemen şunu söylemesi tesadüf değil: ustaca olan her şey basit. Grafit bazlı malzeme elektronikte devrim yaratabilir. Modern gadget'ların tek bir cihazda bir cep telefonu, bir bilgisayar ve bir kamera olduğu gerçeğine zaten alıştık. Grafen sayesinde bu cihazlar çok daha ince, aynı zamanda şeffaf ve esnek hale gelecek. Maddenin benzersiz özellikleri sayesinde böyle bir cihazın düşürülmesi tehlikeli değildir.

Nobel ödüllü, "Çok ilginç elektronik özelliklere sahip. Transistörler için kullanılabilir. Ve özellikle birçok şirket, örneğin mobil iletişimde kullanılmak üzere bu malzemeden yüksek hızlı transistörler yapmaya çalışıyor" diye açıkladı.

Uzmanlara göre gelecekte bu malzeme, tüm elektronik cihazlarda giderek eskiyen silikonun yerini tamamen alabilecek. Şu ana kadar bu teknik bir mucize gibi görünüyor. Ancak son zamanlarda aynı sürprize örneğin LCD TV'ler veya İnternet neden oldu. Bu arada, grafen kullanan Dünya Bilgisayar Ağı onlarca kat daha hızlı hale gelecek. Biyolojide yeni materyallerle birlikte DNA'nın kimyasal yapısını deşifre etmeye yönelik ilerici teknolojiler ortaya çıkacak. Ultra hafif ve yüksek mukavemetli grafenin kullanımı havacılıkta ve uzay aracı yapımında uygulama alanı bulacaktır.

Novoselov, "En ince, en güçlü, en iletken malzeme. En geçilmez, en elastik malzeme. Genel olarak en iyisi bu grafen olacak" diye vurguladı Novoselov.

Nobel Fizik Ödülü, 2010 yılında grafenle yapılan ileri düzey deneylere verildi. Bilimsel araştırma ürünü haline gelen bir materyal ilk kez akademik laboratuvarlardan endüstriyel üretime bu kadar hızlı geçiyor. Rusya'da Konstantin Novoselov'un gelişmelerine ilgi olağanüstü. Bookmarket festivalinin ve Gorky Park'ın sitesi herkese açıktır. Ve serin hava ve yağmur gerçek bilime engel değildir.

Grafen araştırmacılar için giderek daha çekici hale geliyor. 2007'de grafene ayrılmış 797 makale yayınlanmışsa, 2008'in ilk 8 ayında zaten 801 yayın vardı. Grafen yapıları ve teknolojileri alanında son zamanlardaki en önemli araştırma ve keşifler nelerdir?

Günümüzde grafen (Şekil 1), insanlığın bildiği en ince malzemedir ve yalnızca bir karbon atomu kalınlığındadır. Fizik ders kitaplarına ve gerçekliğimize 2004 yılında, Manchester Üniversitesi Andre Geim ve Konstantin Novoselov'dan araştırmacılar, katmanları sıradan kristal grafitten sıralı olarak ayırmak için sıradan bant kullanarak, kurşun kalem şeklinde tanıdık bir şekilde elde etmeyi başardıklarında girdi (bkz. . Başvuru). Oksitlenmiş bir silikon substrat üzerine yerleştirilen bir grafen tabakasının iyi bir optik mikroskopla görülebilmesi dikkat çekicidir. Ve bu sadece birkaç angstrom kalınlığındadır (1Å = 10–10 m)!

Grafenin araştırmacılar ve mühendisler arasındaki popülaritesi, olağanüstü optik, elektriksel, mekanik ve termal özelliklere sahip olması nedeniyle her geçen gün artıyor. Pek çok uzman, yakın gelecekte silikon transistörlerin daha ekonomik ve hızlı etkili grafen transistörlerle değiştirilebileceğini öngörüyor (Şekil 2).

Yapışkan bantla mekanik soyma, temel araştırmalar için yüksek kaliteli grafen katmanları üretebilse ve grafeni büyütmenin epitaksiyel yöntemi elektronik çiplere giden en kısa yolu sağlayabilse de kimyagerler çözeltiden grafen elde etmeye çalışıyorlar. Düşük maliyeti ve yüksek verimine ek olarak bu yöntem, grafen katmanlarını çeşitli nanoyapılara yerleştirebilen veya nanokompozitler oluşturmak için bunları çeşitli malzemelerle entegre edebilen, yaygın olarak kullanılan birçok kimyasal tekniğin önünü açıyor. Ancak kimyasal yöntemlerle grafen üretilirken aşılması gereken bazı zorluklar vardır: Öncelikle çözeltiye yerleştirilen grafitin tamamen ayrılmasını sağlamak gerekir; ikinci olarak, çözeltideki pul pul dökülmüş grafenin tabaka şeklini koruduğundan ve kıvrılmadığından veya birbirine yapışmadığından emin olun.

Geçtiğimiz günlerde saygın bir dergide Doğa Bağımsız çalışan bilimsel gruplar tarafından, yazarların yukarıda belirtilen zorlukların üstesinden gelmeyi ve çözelti içinde asılı kaliteli grafen tabakaları elde etmeyi başardıkları iki makale yayınlandı.

Stanford Üniversitesi'nden (Kaliforniya, ABD) ve (Çin) bilim adamlarından oluşan ilk grup, grafit katmanları arasına sülfürik ve nitrik asitler ekledi (ara katman süreci; bkz. Grafit ara katmanı) ve ardından numuneyi hızlı bir şekilde 1000°C'ye ısıttı (Şek. . 3 A) . Ara moleküllerin patlayıcı buharlaşması, birçok grafen katmanı içeren ince (birkaç nanometre kalınlığında) grafit “pulları” üretir. Bundan sonra, grafen katmanları arasındaki boşluğa iki madde, oleum ve tetrabutilamonyum hidroksit (HTBA) kimyasal olarak dahil edildi (Şekil 3b). Sonikasyona tabi tutulan çözelti hem grafit hem de grafen tabakaları içeriyordu (Şekil 3c). Bundan sonra grafen santrifüjleme yoluyla ayrıldı (Şekil 3d).

Aynı zamanda, Dublin, Oxford ve Cambridge'den ikinci bir bilim insanı grubu, ara katmanlar kullanılmadan çok katmanlı grafitten grafen üretmek için farklı bir yöntem önerdi. Makalenin yazarlarına göre asıl önemli olan, N-metil-pirolidon gibi "doğru" organik çözücüleri kullanmaktır. Yüksek kaliteli grafen elde etmek için, çözücü ile grafen arasındaki yüzey etkileşiminin enerjisi grafen-grafen sistemiyle aynı olacak şekilde çözücülerin seçilmesi önemlidir. İncirde. Şekil 4, adım adım grafen üretiminin sonuçlarını göstermektedir.

Her iki deneyin başarısı, doğru ara katkı maddelerinin ve/veya çözücülerin bulunmasına dayanmaktadır. Elbette grafen üretmek için grafitin grafit okside dönüştürülmesi gibi başka teknikler de var. Grafit bazal düzlemlerin kovalent bağlı oksijen fonksiyonel grupları ile kaplandığı, oksidasyon-eksfoliasyon-indirgeme adı verilen bir yaklaşım kullanıyorlar. Bu oksitlenmiş grafit hidrofilik (veya basitçe nemi seven) hale gelir ve sulu bir çözelti içindeyken ultrasonun etkisi altında ayrı ayrı grafen tabakalarına kolaylıkla ayrılabilir. Ortaya çıkan grafen dikkat çekici mekanik ve optik özelliklere sahiptir, ancak elektriksel iletkenliği "Seloteyip" yöntemi kullanılarak elde edilen grafeninkinden birkaç kat daha düşüktür (bkz. Ek). Buna göre, bu tür grafenin elektronikte uygulama bulması pek olası değildir.

Yukarıda belirtilen iki yöntemin bir sonucu olarak elde edilen grafenin daha kaliteli olduğu (kafeste daha az kusur içerdiği) ve bunun sonucunda daha yüksek iletkenliğe sahip olduğu ortaya çıktı.

Kaliforniya'dan araştırmacıların bir başka başarısı da çok kullanışlı oldu; yakın zamanda, grafen kristal kafesindeki bireysel atomların ve kusurların doğrudan gözlemlenmesi için düşük elektron enerjisine (80 kV) sahip yüksek çözünürlüklü (1Å çözünürlüğe kadar) elektron mikroskobu bildirdiler. Dünyada ilk kez bilim insanları, grafenin ağ yapısını kendi gözlerinizle görebileceğiniz grafenin atomik yapısının yüksek çözünürlüklü görüntülerini elde etmeyi başardılar (Şekil 5).

Cornell Üniversitesi'nden araştırmacılar daha da ileri gitti. Bir grafen tabakasından sadece bir karbon atomu kalınlığında bir zar oluşturup onu bir balon gibi şişirmeyi başardılar. Bu zarın çeşitli atmosferlerdeki gaz basıncına dayanacak kadar güçlü olduğu ortaya çıktı. Deney aşağıdakilerden oluşuyordu. Grafen tabakaları, van der Waals kuvvetleri nedeniyle silikon yüzeyine sıkı bir şekilde bağlanan, önceden kazınmış hücrelere sahip oksitlenmiş bir silikon substrat üzerine yerleştirildi (Şekil 6a). Bu sayede gazın tutulabileceği mikro hazneler oluşturuldu. Bunun ardından bilim insanları odanın içinde ve dışında bir basınç farkı yarattılar (Şekil 6b). Araştırmacılar, yüzeyinden sadece birkaç nanometre yukarıda bir zarı tararken bir uç konsolunun hissettiği sapma kuvveti miktarını ölçen bir atomik kuvvet mikroskobu kullanarak, zarın içbükeylik-dışbükeylik derecesini gözlemleyebildiler (Şekil 6c-e) ) basınç birkaç atmosfere kadar değiştiği için.

Bundan sonra membran, basınç değiştiğinde titreşimlerinin frekansını ölçmek için minyatür bir tambur olarak kullanıldı. Helyumun yüksek basınçta bile mikro haznede kaldığı tespit edildi. Ancak deneyde kullanılan grafen ideal olmadığından (kristal yapısında kusurlar vardı) gaz yavaş yavaş membrandan sızdı. 70 saatten fazla süren deney boyunca membran geriliminde istikrarlı bir azalma gözlemlendi (Şekil 6e).

Araştırmanın yazarları, bu tür membranların çok çeşitli uygulamalara sahip olabileceğini, örneğin çözeltiye yerleştirilen biyolojik materyalleri incelemek için kullanılabileceğini belirtiyor. Bunu yapmak için, organizmanın yaşamını destekleyen çözeltinin sızması veya buharlaşması korkusu olmadan, böyle bir malzemeyi grafenle kaplamak ve şeffaf bir zardan mikroskopla incelemek yeterli olacaktır. Membranda atomik boyutta delikler açmak ve daha sonra difüzyon çalışmaları yoluyla bireysel atomların veya iyonların delikten nasıl geçtiğini gözlemlemek de mümkündür. Ancak en önemlisi, Cornell Üniversitesi'nden bilim adamlarının araştırmaları, bilimi tek atomlu sensörlerin yaratılmasına bir adım daha yaklaştırdı.

Grafen üzerine yapılan çalışmaların sayısındaki hızlı artış, bunun gerçekten de geniş bir uygulama yelpazesi için çok umut verici bir malzeme olduğunu gösteriyor, ancak uygulamaya konulmadan önce hala birçok teorinin oluşturulması ve onlarca deneyin yapılması gerekiyor.

Grafen Sayfalarından Geçirimsiz Atomik Membranlar (tam metin mevcuttur) // Nano Harfler. V. 8. Hayır. 8, s. 2458–2462 (2008).

Alexander Samardak

Grafen dünyadaki en güçlü malzemedir. Çelikten 300 kat daha güçlü. Bir metrekare alana ve yalnızca bir atom kalınlığına sahip bir grafen tabakası, 4 kilogram ağırlığındaki bir nesneyi tutabilme kapasitesine sahiptir. Grafen tıpkı bir peçete gibi bükülebilir, yuvarlanabilir ve gerilebilir. Kağıt peçete ellerinizde yırtılıyor. Grafen ile bu olmayacak.

Diğer karbon formları: grafen, güçlendirilmiş – güçlendirilmiş grafen , karabina, elmas, fulleren, karbon nanotüpler, “bıyıklar”.

Grafenin açıklaması:

Grafen, altıgen bir kristal kafes halinde düzenlenmiş atomların bir atom kalınlığında bir katman oluşturduğu iki boyutlu bir allotropik karbon formudur. Grafendeki karbon atomları birbirine sp2 bağlarıyla bağlanır. Grafen kelimenin tam anlamıyla maddedir Tekstil.

Karbonun birçok allotropu vardır. Bunlardan bazıları örneğin elmas ve grafit uzun zamandır biliniyor, diğerleri ise nispeten yakın zamanda keşfedildi (10-15 yıl önce) - fullerenler Ve karbon nanotüpleri. Onlarca yıldır bilinen grafitin bir grafen levha yığını olduğu unutulmamalıdır; birkaç grafen düzlemi içerir.

Grafen bazında yeni maddeler elde edildi: grafen oksit, grafen hidrit (grafan olarak adlandırılır) ve florografen (grafenin flor ile reaksiyon ürünü).

Grafen, çeşitli alanlarda kullanılmasına olanak tanıyan benzersiz özelliklere sahiptir.

Grafenin özellikleri ve avantajları:

– Grafen dünyadaki en güçlü malzemedir. 300 kat daha güçlü haline gelmek. Bir metrekare alana ve yalnızca bir atom kalınlığına sahip bir grafen tabakası, 4 kilogram ağırlığındaki bir nesneyi tutabilme kapasitesine sahiptir. Grafen tıpkı bir peçete gibi bükülebilir, yuvarlanabilir ve gerilebilir. Kağıt peçete ellerinizde yırtılıyor. Bu grafenle olmayacak.

– Grafenin iki boyutlu yapısı sayesinde oldukça esnek bir malzeme olması, örneğin dokuma iplikleri ve diğer halat yapılarında kullanılmasına olanak sağlayacak. Bu durumda, ince bir grafen "halatı", mukavemet açısından kalın ve ağır bir çelik halata benzer olacaktır,

– belirli koşullar altında grafen, hasar durumunda kristal yapısındaki “delikleri” “iyileştirmesine” olanak tanıyan başka bir yeteneği etkinleştirir,

– Grafen daha yüksek elektrik iletkenliğine sahiptir. Grafenin neredeyse hiç direnci yoktur. Grafen, grafenden 70 kat daha fazla elektron hareketliliğine sahiptir. silikon. Grafendeki elektronların hızı 10.000 km/s'dir, ancak normal bir iletkende elektronların hızı yaklaşık 100 m/s'dir.

– Yüksek elektrik kapasitesine sahiptir. Grafenin özgül enerji yoğunluğu 65 kWh/kg'a yaklaşmaktadır. Bu rakam şu anda yaygın olarak kullanılan lityum iyon pillerden 47 kat daha fazla. piller,

– yüksek ısı iletkenliğine sahiptir. 10 kat daha fazla termal iletkenliğe sahiptir bakır,

– tam optik şeffaflık ile karakterize edilir. Işığın yalnızca %2,3'ünü emer,

– Grafen film, su moleküllerinin geçmesine izin verir ve aynı zamanda diğerlerini de tutar, bu da su filtresi olarak kullanılmasına olanak tanır,

– en hafif malzeme. Tüyden 6 kat daha hafif

– çevreye karşı eylemsizlik,

– radyoaktif atıkları emer,

– Bir grafen tabakasındaki karbon atomlarının Brownian hareketi (termal titreşimler) sayesinde, ikincisi elektrik enerjisi “üretebilmektedir”.

– sadece bağımsız iki boyutlu malzemelerin değil, aynı zamanda çok katmanlı iki boyutlu heteroyapıların da montajının temelini oluşturur.

Grafenin fiziksel özellikleri*:

*oda sıcaklığında.

Grafenin elde edilmesi:

Grafen elde etmenin ana yolları şunlardır:

– grafit katmanlarının mikromekanik pul pul dökülmesi (Novoselov yöntemi - bant yöntemi). Bant şeritleri arasına bir grafit örneği yerleştirildi ve katmanlar, grafenden oluşan son ince katman kalana kadar art arda soyuldu.

– dağılım grafit su ortamlarında,

– mekanik pul pul dökülme;

– vakumda epitaksiyel büyüme;

– kimyasal buhar fazında soğutma (CVD işlemi),

– metallerdeki çözeltilerden veya karbürlerin ayrışması sırasında karbonun "terlenmesi" yöntemi.

Evde grafen elde etmek:

En az 400 W gücünde bir mutfak blenderi almalısınız. Blender kasesine 500 ml su dökün, sıvıya 10-25 ml herhangi bir deterjan ve 20-50 gram ezilmiş kurşun kalem ekleyin. Daha sonra blender, grafen pullarından oluşan bir süspansiyon görünene kadar 10 dakika ila yarım saat kadar çalıştırılmalıdır. Ortaya çıkan malzeme yüksek iletkenliğe sahip olacak ve bu da fotosel elektrotlarında kullanılmasına olanak sağlayacak. Ayrıca evde üretilen grafen, plastiğin özelliklerini iyileştirebiliyor.

Grafen, inanılmaz hafiflik ve dayanıklılıkla birleşen mükemmel elektrik iletkenliği gibi dikkat çekici kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip olan benzersiz bir karbon bileşikleri sınıfına aittir.

Zamanla modern yarı iletken üretiminin temeli olan silikonun yerini alması bekleniyor. Şu anda bu bileşik "geleceğin malzemesi" statüsünü sağlam bir şekilde güvence altına aldı.

Malzemenin özellikleri

Çoğunlukla "G" adı altında bulunan grafen, altıgen bir kafesle birbirine bağlanan atomlar biçiminde alışılmadık bir yapıya sahip, iki boyutlu bir karbon formudur. Üstelik toplam kalınlığı her birinin boyutunu aşmaz.

Grafenin ne olduğunu daha iyi anlamak için aşağıdaki gibi benzersiz özelliklere aşina olmanız önerilir:

• Yüksek termal iletkenliği kaydedin;
• Malzemenin yüksek mekanik mukavemeti ve esnekliği, çelik ürünler için aynı göstergeden yüzlerce kat daha yüksektir;
• Eşsiz elektriksel iletkenlik;
• Yüksek erime noktası (3 bin dereceden fazla);
• Geçilmezlik ve şeffaflık.

Grafenin olağandışı yapısı şu basit gerçekle kanıtlanmaktadır: 3 milyon yaprak grafen boşluğu birleştirildiğinde, bitmiş ürünün toplam kalınlığı 1 mm'den fazla olmayacaktır.

Bu olağandışı malzemenin benzersiz özelliklerini anlamak için, kökeninin kurşun kalemde kullanılan sıradan katmanlı grafite benzediğini belirtmek yeterlidir. Bununla birlikte, altıgen kafes içindeki atomların özel düzenlenmesi nedeniyle yapısı, elmas gibi sert bir malzemenin doğasında bulunan özellikleri kazanır.

Grafen, grafitten izole edildiğinde, modern 2 boyutlu malzemelerin karakteristik özelliği olan en "mucizevi" özellikleri, ortaya çıkan film atomu kalınlığında gözlemlenir. Bugün ulusal ekonomide bu eşsiz bileşiğin kullanıldığı ve umut verici görülmediği bir alan bulmak zordur. Bu özellikle yeni teknolojiler geliştirmeyi amaçlayan bilimsel gelişim alanında belirgindir.

Elde etme yöntemleri

Bu malzemenin keşfi 2004 yılına kadar uzanabilir, bundan sonra bilim adamları aşağıda sunulan üretim için çeşitli yöntemlere hakim oldular:

• Faz dönüşümü yöntemiyle uygulanan kimyasal soğutma (buna CVD işlemi denir);
• Vakum koşulları altında gerçekleştirilen sözde "epitaksiyel büyüme";
• “Mekanik pul pul dökülme” yöntemi.

Her birine daha ayrıntılı olarak bakalım.

Mekanik

Bağımsız yürütme için en erişilebilir olduğu düşünülen bu yöntemlerin sonuncusuyla başlayalım. Evde grafen elde etmek için aşağıdaki işlem serilerini sırayla gerçekleştirmek gerekir:

• Öncelikle ince bir grafit plaka hazırlamanız gerekir; bu plaka daha sonra özel bir bandın yapışkan tarafına yapıştırılır;
• Bundan sonra ikiye katlanır ve ardından orijinal durumuna geri döner (uçları birbirinden ayrılır);
• Bu tür manipülasyonlar sonucunda bandın yapışkan tarafında çift kat grafit elde etmek mümkündür;
• Bu işlemi birkaç kez yaparsanız, uygulanan malzeme katmanının küçük bir kalınlığını elde etmek zor olmayacaktır;
• Bundan sonra, silikon oksit alt tabakaya bölünmüş ve çok ince filmlere sahip yapışkan bant uygulanır;
• Sonuç olarak film kısmen altlık üzerinde kalarak bir grafen tabakası oluşturur.

Bu yöntemin dezavantajı, alt tabakanın belirlenen kısımlarına güvenilir bir şekilde sabitlenebilecek, belirli bir boyut ve şekilde yeterince ince bir film elde etmenin zorluğudur.

Şu anda günlük pratikte kullanılan grafenin çoğu bu şekilde üretiliyor. Mekanik pul pul dökülme nedeniyle oldukça kaliteli bir bileşik elde etmek mümkündür, ancak seri üretim koşulları için bu yöntem tamamen uygun değildir.

Endüstriyel yöntemler

Grafen üretmenin endüstriyel yöntemlerinden biri, onu vakumda büyütmek olup, özellikleri aşağıdaki gibi gösterilebilir:

• Bunu yapmak için, bu malzemenin yüzeylerinde her zaman mevcut olan bir silisyum karbür yüzey tabakası alınır;
• Daha sonra önceden hazırlanan silikon levha nispeten yüksek bir sıcaklığa (yaklaşık 1000 K) ısıtılır;
• Bu durumda meydana gelen kimyasal reaksiyonlar nedeniyle, birincisinin hemen buharlaştığı silikon ve karbon atomlarının ayrılması gözlenir;
• Bu reaksiyon sonucunda plaka üzerinde saf grafen (G) kalır.

Bu yöntemin dezavantajları arasında genellikle teknik zorluklara yol açan yüksek sıcaklıkta ısıtma ihtiyacı yer alır.

Yukarıda açıklanan zorlukları ortadan kaldıran en güvenilir endüstriyel yöntem “CVD süreci” olarak adlandırılan yöntemdir. Uygulandığında metal katalizörün yüzeyinde hidrokarbon gazları ile birleştiğinde kimyasal reaksiyon meydana gelir.

Yukarıda tartışılan tüm yaklaşımların bir sonucu olarak, yalnızca bir atom kalınlığında bir tabaka formunda iki boyutlu karbonun saf allotropik bileşiklerini elde etmek mümkündür. Bu oluşumun bir özelliği, "σ" ve "π" bağlarının oluşumu nedeniyle bu atomların altıgen bir kafes halinde bağlanmasıdır.

Grafen kafesindeki elektrik yükü taşıyıcıları, bilinen diğer yarı iletken malzemeler için bu göstergeyi önemli ölçüde aşan yüksek derecede hareketlilik ile karakterize edilir. Bu nedenle geleneksel olarak entegre devre üretiminde kullanılan klasik silikonun yerini alabilmektedir.

Grafen bazlı malzemelerin pratik uygulama olanakları doğrudan üretim özellikleriyle ilgilidir. Şu anda, şekil, kalite ve boyut bakımından farklılık gösteren bireysel parçalarını elde etmek için birçok yöntem uygulanmaktadır.

Bilinen tüm yöntemler arasında aşağıdaki yaklaşımlar öne çıkıyor:

1. Elektriksel olarak iletken boyaların ve çeşitli kompozit malzemelerin üretiminde kullanılan pul formunda çeşitli grafen oksit üretimi;
2. Elektronik cihazların bileşenlerinin yapıldığı düz grafen G'nin elde edilmesi;
3. Aktif olmayan bileşenler olarak kullanılan aynı türdeki malzemenin yetiştirilmesi.

Bu bileşiğin temel özellikleri ve işlevselliği, alt tabakanın kalitesine ve birlikte yetiştirildiği malzemenin özelliklerine göre belirlenir. Bütün bunlar sonuçta kullanılan üretim yöntemine bağlıdır.

Bu eşsiz malzemeyi elde etme yöntemine bağlı olarak çeşitli amaçlarla kullanılabilir:

1. Mekanik pul pul dökülme yoluyla elde edilen grafen esas olarak araştırma amaçlıdır ve bu, serbest yük taşıyıcılarının düşük hareketliliğiyle açıklanmaktadır;
2. Grafen kimyasal (termal) reaksiyonla üretildiğinde çoğunlukla kompozit malzemelerin yanı sıra koruyucu kaplamalar, mürekkepler ve boyalar oluşturmak için kullanılır. Serbest taşıyıcıların hareketliliği biraz daha yüksektir, bu da onu kapasitörlerin ve film izolatörlerinin üretiminde kullanmayı mümkün kılar;
3. Bu bileşiği elde etmek için CVD yöntemi kullanılırsa nanoelektronikte kullanılabileceği gibi sensörlerin ve şeffaf esnek filmlerin üretiminde de kullanılabilir;
4. “Silikon levhalar” yöntemiyle elde edilen grafen, RF transistörleri ve benzeri bileşenler gibi elektronik cihazların elemanlarının üretiminde kullanılıyor. Bu tür bileşiklerde serbest yük taşıyıcılarının hareketliliği maksimumdur.

Grafenin listelenen özellikleri, üreticiler için geniş ufuklar açar ve aşağıdaki gelecek vaat eden alanlarda uygulanmasına yönelik çabalara odaklanmalarına olanak tanır:

• Modern elektroniğin silikon bileşenlerin değiştirilmesiyle ilgili alternatif alanlarında;
• Önde gelen kimya endüstrilerinde;
• Benzersiz ürünler tasarlarken (kompozit malzemeler ve grafen membranlar gibi);
• Elektrik mühendisliği ve elektronikte (“ideal” bir iletken olarak).

Ayrıca bu bileşik esas alınarak soğuk katotlar, şarj edilebilir piller, özel iletken elektrotlar ve şeffaf film kaplamalar da üretilebilmektedir. Bu nanomateryalin benzersiz özellikleri, ona umut verici gelişmelerde kullanım için geniş bir olasılık yelpazesi sunmaktadır.

Avantajlar ve dezavantajlar

Grafen bazlı ürünlerin avantajları:

• Sıradan bakırla karşılaştırılabilecek yüksek derecede elektriksel iletkenlik;
• Görünür ışık aralığının yüzde ikisinden fazlasını absorbe etmemesi sayesinde neredeyse mükemmel optik saflık. Bu nedenle dışarıdan bakıldığında gözlemciye neredeyse renksiz ve görünmez görünür;
• Elmastan üstün mekanik mukavemet;
• Tek katmanlı grafenin elastik kauçuğa göre üstün olduğu esneklik. Bu kalite, filmlerin şeklini kolayca değiştirmenize ve gerekirse uzatmanıza olanak tanır;
• Dış mekanik etkilere karşı direnç;
• Bakırdan onlarca kat daha yüksek olan eşsiz termal iletkenlik.

Bu eşsiz karbon bileşiğinin dezavantajları şunları içerir:

1. Yüksek kaliteyi sağlamak için gereken fiziksel ve kimyasal özelliklerin sağlanmasının yanı sıra, endüstriyel üretim için yeterli miktarlarda elde edilmesinin imkansızlığı. Pratikte yalnızca küçük boyutlu grafen levha parçaları elde etmek mümkündür;
2. Endüstriyel olarak üretilen ürünler, çoğu zaman özellikleri bakımından araştırma laboratuvarlarında elde edilen numunelerden daha düşüktür. Sıradan endüstriyel teknolojileri kullanarak bunları başarmak mümkün değil;
3. Üretim ve pratik uygulama olanaklarını önemli ölçüde sınırlayan yüksek işçilik dışı maliyetler.

Tüm bu zorluklara rağmen araştırmacılar grafen üretimine yönelik yeni teknolojiler geliştirme girişimlerinden vazgeçmiyorlar.

Sonuç olarak, modern ultra ince ve esnek cihazların üretiminde de kullanılabileceği için bu malzemenin beklentilerinin tek kelimeyle harika olduğunu belirtmek gerekir. Ek olarak, kanser ve diğer yaygın tümör hastalıklarıyla mücadele edebilecek modern tıbbi ekipman ve ilaçların oluşturulması da buna dayanarak mümkündür.

Video