Altıgen bal peteği şeklinde bağlanmış, tek katman olarak dizilen karbon atomlarından oluşan grafen, bilinen en hafif malzeme... Dayanıklılık, sürdürülebilirlik gibi pek çok özelliği sayesinde grafenin farklı bilim disiplinleri içerisindeki uygulamaları hızla artıyor.

Sinem Kahveci / Tekstil Mühendisi, TTSİS Araştırma Uzman Yardımcısı

Son yıllarda hayatımıza giren ve bilinen en hafif malzeme olan grafen, sektörde adından çokça bahsettiriyor. Grafen, bir atom kalınlığında bilinen en ince, keşfedilen en mukavemetli bileşik olarak tanımlanıyor. Bakırdan daha yüksek iletkenlik özelliklerine sahip ve hayli esnek bir madde olmasıyla, elektronik tekstillerin üretiminde de büyük bir öneme sahip. Sektörde, silikon ve plastik malzemelere çok daha iyi bir alternatif olan grafenin çağının başladığı konuşuluyor. Teknik olarak ise grafen, 0.142 nanometre moleküler bağ uzunluğuna sahip, sp2-bağlı atomların düzlemi biçimindeki bir karbon allotropudur. Grafen, altıgen bal peteği şeklinde bağlanmış tek katman olarak dizilen karbon atomlarından oluşur.
Grafeni meydana getiren karbon, evrende kütlesel olarak en çok bulunan hidrojen, helyum ve oksijenden sonra dördüncü element, insan vücudunda ise en çok bulunan ikinci element. Bu durum, karbonu yeryüzündeki bilinen tüm yaşamlar için önemli kimyasal bir baz yapıyor. Karbon aynı zamanda çok sayıda uygulama için ekolojik ve sürdürülebilir bir çözüm önerisi olarak ortaya çıkıyor. Grafenin keşfinden (mekanik olarak elde edilebilmesinden) bu yana, farklı bilim disiplinleri içerisindeki uygulamaları hızla artıyor.

Potansiyel uygulamalar
Grafen destekli sensörler, saydam elektrotlar, fotodedektörler, güneş panelleri, enerji depolama aygıtları, polimer kompozitleri (yüzde 1 ilave grafen ile polimer kompozitlerin mekanik mukavemetleri iki katına çıkabiliyor) ve nano kompozitler; ısı transfer malzemesi, filtreleme, biyomühendislik, havacılık, otomotiv ve enerji alanlarına hizmet ediyor.

Bazı uygulama örnekleri şöyle:
Giyim: Su geçirmezlik, sıcağa-soğuğa karşı dirençlilik, ve pamuk kadar iyi nefes alabilirlik özelliklerine sahip olan grafen, spor ve medikal alanda kullanılan akıllı giysilere entegre edilebiliyor. Grafen, suyu içinden geçirebiliyor ve grafen içerikli giyim ürünleri terleme ve kokma gibi problemlerle karşı karşıya kalmıyor, çünkü grafenle temas eden yüzeylerde bakteriler barınamıyor.
• Uzun ömürlü bir malzeme olduğundan su geçirmez kumaş üzerine baskı yapıldığında, yıkanabilir, ısıya dayanıklı, ütülenebilir, katlanabilir ve bükülebilir özelliğe sahip oluyor.
Enerji: Grafen, yenilenebilir enerji alanında açık ara farkla en iyi malzeme. Mikroskop altında incelendiğinde, parçacıkların rastlantısal hareketlerini tanımlayan Brown hareketinin dışında molekülleri arasında daha büyük hareketlenmeler olduğu gözlemleniyor. Bu hareketlenmelerle enerji depolama ve saklamada potansiyel bir kaynak görevi görebiliyor. Araştırmalarda, 10 mikronluk bir grafen levhayla, kayıp olmaksızın 10 mikrowatt sürekli güç elde edildi.
• Özellikle uzay araçlarında, hafif bir yapı malzemesi olmasına rağmen güçlü bir gövde oluşturması, taşıma kapasitesinin artması ve daha az enerji harcaması gibi avantajlar sağlaması, grafenin kullanım alanını genişletiyor.
İletken: Grafen, silikona kıyasla daha iyi elektrik ve bakıra kıyasla daha iyi ısı iletiyor. Düzenli grafit, tanecikler halinde bulunuyor ve bu da elektronlara gidebilecekleri birçok yön sağlıyor. Düz yüzeyde grafen levhaları, elektronların kaymasını sağlayacak düzenli yüzeyler oluşturabiliyor. En iyi iletken olarak kabul edilen bakır ise, elektriğin büyük kısmının ısıya dönüştüğü yerde direnç kaybedebiliyor. Bu yüzden, grafen doğal haliyle bir ‘yarı iletken’, aynı zamanda bir ‘süper iletken’ olarak adlandırılıyor. Süper iletkenler elektriği iletirken ısı üretmiyor, bu yüzden taşıma kapasitesinde kayıp olmuyor. Ayrıca grafen çipleri nano boyutta silikon çipleri gibi erimiyor.

Diğer uygulamalar:
• Kauçuk ile birleştiğinde yüksek ısıl özellikleri sayesinde çok yüksek mukavemete sahip oluyor. Bu yapı, uzay araçlarında kullanılabiliyor.
• Elastomerlerle birleştiğinde güvenli bir materyal oluyor.
• Aerogel ile birleştiğinde yüzde 99.8 hava içeriyor ve çelikten bile güçlü, gözenekli ve aşırı hafif oluyor.
• Birçok ilaç taşıyıcı sistemde, sağlık testi kitleri ve akıllı implantlar gibi biyomedikal uygulamalarda kullanılabilir.
• Kompozit yapılarda ve kaplamalarda kullanılabilir.
• Katlanabilir telefonlar veya bilgisayarlar gibi çeşitli elektronikler tasarlanabilir.

Grafenin avantajları:
• Çok hafif ve esnek olmasına rağmen çelikten daha güçlüdür.
• Elektriksel ve termal iletkendir, ayrıca saydam görüntüye sahiptir.
• Pilleri çok kısa sürede doldurabilir.

Grafen tedarikçisinin karşılaştığı zorluklar:
• Benzerlik ve varyasyonlar: Arzu edilen uygulama için kullanılacak grafen formunun iyi belirlenmesi gerekiyor.
• Maliyet: Grafen, zor üretilen bir malzeme olduğu için diğerlerine göre maliyeti yüksek.
• Standartlandırma: Farklı formlarının standartlandırılması bekleniyor.

Grafen ile beslenen örümcekler
Literatürde örümcek ipeği üzerine yapılan bir çalışmada, örümcekler grafen nanotüpler ile beslendi. Beslenmeden sonra örümceklerden ipek elde edildiğinde, grafen nanotüplerin elyaflara geçtiği görüldü. Sonuç olarak, çekme direncinin ve kumaş dayanıklılığının, normal örümcek ipeğinden çok daha yüksek olduğu gözlemlendi. Grafen ile beslenen örümcekler tarafından eğrilen ipeğin, ticari ipekten beş kat güçlü olması sayesinde diğerleriyle karşılaştırıldığında en güçlü kumaşlardan biri olduğu da belirtiliyor.