Ana Sayfa Bilim Gündemi Yeni Nesil “Mucize Malzeme” Grafin Laboratuvar Ortamında İlk Kez Sentezlendi

Yeni Nesil “Mucize Malzeme” Grafin Laboratuvar Ortamında İlk Kez Sentezlendi

143
Grafinin kristal yapısını gösteren bir model.

Bilim insanları uzun yıllardır ‘grafin’ (İngilizce’si graphyne) ismiyle bilinen iki boyutlu yeni bir kuramsal karbon formunu sınırlı bir başarıyla da olsa sentezleyebilmek için dirsek çürütüyor. Grafin, ‘mucizevi malzeme’ olarak bilinen ve endüstriyel değeri hayli yüksek diğer bir iki boyutlu karbon formu olan ‘grafen’ ile ortak özellikleri nedeniyle malzeme biliminin ilgi odağında. Ancak gerçekleştirilen sayısız kuramsal ve deneysel çalışmaya rağmen, bugüne kadar sadece birkaç fragmandan fazlası sentezlenebilmiş değildi. ABD’deki Colorado Boulder Üniversitesi’nden araştırmacılar Nature Synthesis’de yayımlanan yeni çalışmalarında yıllardır süren çabaların sonunda meyvesini verdiğini duyurdu. Araştırmacılar laboratuvar ortamında ilk kez sentezlenen grafinin, elektronik, optik ve yarı-iletken teknolojilerinde yeni olasılıklara kapı aralayacağını öngörüyor.

Yeni ve özgün karbon allotropları (karbon atomlarının uzayda farklı şekillerde dizilmesiyle ortaya çıkan geometrik formlar) keşfetmek, endüstrideki uygulama alanlarının genişliği nedeniyle uzun süredir bilim insanlarının ilgisini cezbediyor. Günümüzde özellikle oda sıcaklığında süper-iletkenlik özelliği taşıyan (elektronik cihazlar), hafif ama bir o kadar da sağlam yapıda olan (havacılık vb sektörler için oldukça önemli bir özellik) ve ışık ile uyarılmaya elverişli (Güneş panellerinde kullanılmaya uygun) karbon temelli malzemelere dönük ciddi düzeyde araştırma yapılıyor. Yapılan kuramsal çalışmalar karbon allotroplarının neredeyse sınır tanımaz bir potansiyele sahip olduğuna işaret ederken, deneysel kabiliyetlerimizin bu potansiyeli kullanabilmenin yollarına her geçen gün daha fazla vakıf olduğu söylenebilir.

Temelde karbon allotropları oluşturmanın çeşitli metotlar vardır. Bu metotlar karbon atomlarının s ve p orbitallerinin nasıl hibritleştiğine ve bu hibritleşmeden nasıl yararlanıldığına göre değişiklik gösterir. Hibritleşmeyi bir karbon atomunun farklı orbitallerinin bir araya gelerek onun başka atomlarla bağlanma şeklini belirlemesi olarak düşünebiliriz. Karbon atomunun sp, sp2 ve sp3 ismiyle bilinen 3 farklı hibritleşme tipi vardır. Hangi tipte hibritleşme yaptığına göre karbon atomlarının kaç atomla, ne tür bağ yapacağı (tekli, ikili veya üçlü) belirlenir. Karbonun en iyi bilinen allotropları sp2 karbonlarından oluşan grafit (kalem ve pil gibi araçlarda kullanılır) ve sp3 karbonlarından oluşan elmastır.

Karbon-hidrojen halkalarından grafinin sentezlenmesi. Kaynak: Nature Synthesis

Bilim insanları yıllar boyu geleneksel metotlardan yararlanarak, aralarında kâşiflerine Nobel ödülü kazandıran fulleren ve grafenin de bulunduğu çeşitli allotroplar oluşturmayı başardılar. Ancak bu metotlar farklı tipte karbonların bir arada büyük miktarda sentezlenmelerine izin vermiyor ve bu, tam da grafin için ihtiyaç duyulan şey. Bu durum grafinin uzun yıllar kuramsal bir malzeme olarak kalmasına ve çeşitli mekanik, optik ve iletkenlik özelliklerinin üzerine kağıt üzerinde bolca spekülasyon üretilmesine neden oldu.

Colorado Boulder Üniversitesi’nde kimya profesörü olan Wei Zhang’ın laboratuvar grubu bu kadim probleme yeni bir bakış açısıyla yaklaştı. Grup, alkin metatezi adı verilen ve alkin kimyasal bağlarının (en az bir karbon-karbon üçlü kovalent bağa sahip bir hidrokarbon türü) yeniden dağıtılmasına (ya da diğer bir deyişle kesilip yeniden oluşturulmasına) yol açan organik bir reaksiyondan yararlanarak (buna ek olarak termodinamik ve kinetik kontrole de başvurulmuş) daha önce başarılamamış olanı başardı: Grafenin iletkenliğine rakip olabilecek ancak da kontrollü bir malzeme olan garfinin sentezlenmesi. Grafen, optik olarak şeffaf, mekanik olarak esnek ve hafif ama oldukça dayanıklı ve elektronik olarak ise iyi bir iletken olmasından ötürü ‘mucize malzeme’ takma adıyla bilinir. Kuramsal çalışmalar grafinin grafene oldukça benzemekle birlikte, ondan daha da dayanıklı ve oda sıcaklığında iletkenliği yüksek bir malzeme olabileceğine işaret ediyor. Keza Zhang da grafen ile grafin arasında iyi anlamda farklar olduğunu ve grafinin yeni nesil mucize malzeme olmaya aday olduğunu belirtiyor. Bilim dünyasını esas heyecanlandıranın da bu olduğunu ekliyor.

Malzemenin başarılı bir şekilde sentezlenebilmesi oldukça önem arz etmekle beraber iş burada bitmiyor. Ekip, bu malzemenin büyük ölçekli yapılarının nasıl oluşturulabileceği ve nasıl kontrol altına alınıp üzerinde değişiklikler yapılabileceği de dahil olmak üzere çeşitli sorulara yoğunlaşmış durumda. Zhang, çalışmalarının devamı olarak bu yeni malzemeyi hem kuramsal hem de deneysel olarak, hem atomik ölçekte hem de teknolojik cihazlarda kullanılabilecek ölçeklerde, yani kısacası tüm yönleriyle incelemeye aldıklarını söylüyor. Zhang, aynı zamanda bu araştırmanın disiplinler arası bir işbirliği sayesinde gerçekleştirilebildiğini, kimya, fizik ve çeşitli başka alanlardan araştırmacıların desteği olmasaydı asla gerçekleştirilemeyeceğini belirtiyor.

Kaynak

Önceki İçerikDoğa zihinsel sağlığa yararlıdır; ama sadece zengin ve beyaz insanlar için mi?
Sonraki İçerikMars’ta şu ana kadar görülmüş en güçlü deprem kaydedildi