“Gelecekteki çipler, grafen sayesinde 10 kat daha hızlı olabilir “; “ COVID-19 tespitinde grafen kullanılabilir ”; ve “Grafen, pillerin 5 kat daha hızlı şarj olmasını sağlar ” – bunlar, grafenin olanaklarını öven yakın tarihli dramatik başlıklardan yalnızca birkaçı. Grafen, tek bir karbon atomu tabakasından yapılmış inanılmaz derecede hafif, güçlü ve dayanıklı bir malzemedir. Bu özelliklerle, araştırmacıların onlarca yıldır grafenin malzeme bilimini ve teknolojisini ilerletebileceği yolları araştırması şaşırtıcı değil.
İnsanlara grafen üzerinde çalıştığımı söylediğimde ne bekleyeceğimi asla bilemiyorum – bazıları bunu hiç duymamışken, diğerleri bu manşetlerin bazı versiyonlarını görmüş ve kaçınılmaz olarak “Peki, bekletme nedir?”
Grafen, sansasyonel manşetlerin öne sürdüğü gibi büyüleyici bir malzemedir, ancak gerçek dünya uygulamalarında kullanılmaya yeni yeni başlamaktadır. Sorun grafenin özelliklerinde değil, ticari ölçekte üretiminin hala inanılmaz derecede zor ve pahalı olması gerçeğinde yatıyor.
grafen nedir?
Grafen, en basit şekilde, altıgen, tabaka benzeri bir yapı içinde birbirine bağlanmış tek bir karbon atomu tabakası olarak tanımlanır. Saf grafeni, dünyadaki en güçlü malzeme olan tek katmanlı kalın bir karbon kağıt mendil olarak düşünebilirsiniz.
Grafen genellikle, kabaca bir kum tanesinin çapı olan küçük, tek tek tabakalardan yapılmış bir toz şeklinde gelir. Tek bir grafen tabakası, eşit derecede ince bir çelik parçasından 200 kat daha güçlüdür . Grafen ayrıca son derece iletkendir , 1.300 Fahrenhayt dereceye (700 C) kadar bir arada tutar , asitlere dayanabilir ve esnek ve çok hafiftir .
Bu özelliklerden dolayı grafen son derece faydalı olabilir. Malzeme, esnek elektronikler oluşturmak ve suyu arıtmak veya tuzdan arındırmak için kullanılabilir . Ve 11,5 pound (5 kilogram) çimentoya sadece 0,03 ons (1 gram) grafen eklemek, çimentonun mukavemetini %35 artırır .
Doktora araştırmam kapsamında birlikte çalıştığım Ford Motor Co., 2022 yılı sonları itibariyle endüstriyel ölçekte grafen kullanan yegane şirketlerden biri. 2018’den başlayarak Ford, araçları için %0,5 grafen olan plastik üretmeye başladı ve bu da plastiğin gücünü %20 artırdı .
Bir süper malzeme nasıl yapılır
Grafen, yukarıdan aşağıya veya aşağıdan yukarıya bir süreç olarak tanımlanabilecek iki temel yolla üretilir.
Dünyanın ilk grafen tabakası 2004 yılında grafitten oluşturuldu. Genel olarak kurşun kalem olarak bilinen grafit, birbiri üzerine istiflenmiş milyonlarca grafen tabakasından oluşur. Grafen pul pul dökülmesi olarak da bilinen yukarıdan aşağıya sentez, grafitten mümkün olan en ince karbon katmanlarını soyarak çalışır. En eski grafen levhalardan bazıları, daha büyük bir grafit parçasından karbon katmanlarını soymak için selofan bant kullanılarak yapıldı .
Sorun şu ki, grafitte grafen tabakalarını bir arada tutan moleküler kuvvetler çok güçlü ve levhaları ayırmak zor. Bu nedenle, yukarıdan aşağıya yöntemler kullanılarak üretilen grafen genellikle birçok katman kalınlığındadır, delikleri veya deformasyonları vardır ve safsızlıklar içerebilir . Fabrikalar yılda birkaç ton mekanik veya kimyasal olarak pul pul dökülmüş grafen üretebilir ve birçok uygulamada – plastiğe karıştırmak gibi – düşük kaliteli grafen iyi çalışır .
Yukarıdan aşağıya, pul pul dökülmüş grafen mükemmel olmaktan uzaktır ve bazı uygulamalar bu bozulmamış tek karbon tabakasına ihtiyaç duyar.
Aşağıdan yukarıya sentez, karbon tabakalarını birkaç saat boyunca her seferinde bir atom oluşturur. Buhar biriktirme adı verilen bu süreç , araştırmacıların bir atom kalınlığında ve 30 inç genişliğe kadar yüksek kaliteli grafen üretmesine olanak tanır. Bu, mümkün olan en iyi mekanik ve elektriksel özelliklere sahip grafen verir. Sorun şu ki, aşağıdan yukarıya bir sentezle, 0,00001 gram bile yapmak saatler alabilir – örneğin, esnek dokunmatik ekran elektroniği veya güneş panelleri gibi herhangi bir büyük ölçekli kullanım için yeterince hızlı değil .
Öyleyse bekletme nedir?
Hem yukarıdan aşağıya hem de aşağıdan yukarıya mevcut grafen üretim yöntemleri, pahalı olduğu kadar enerji ve kaynak yoğundur ve basitçe çok az ürün üretir, çok yavaştır.
Bazı şirketler grafen üretiyor ve ton başına 60.000 ila 200.000 ABD Doları arasında satıyor . Bu yüksek maliyetlerde mantıklı olan sınırlı sayıda kullanım vardır.
Az miktarda yukarıdan aşağıya veya aşağıdan yukarıya grafen, araştırmacıların ihtiyaçlarını karşılayabilirken, şirketler için yeni bir malzemeyi prototipleme süreci bile, uygulama veya üretim süreci, kilolarca grafen tozu veya yüzlerce grafen yaprağı ve çok şey gerektirir. zaman ve çaba. Grafenin Ford’daki üretim hattına ulaşması önemli bir yatırım ve dört yıldan fazla çalışma, geliştirme ve optimizasyon gerektirdi.
Mevcut üretim, çok daha az yaygın kullanımı, deneyleri zar zor karşılayabilir.
Üretimi iyileştirmek
Sadece 2004’ten beri var olan bir malzeme için, grafenin üretimini ve uygulamasını ölçeklendirmede çok ilerleme kaydedildi.
Grafenin ticari düzeyde kırılmaya başladığına dair ipuçları var. Enerji depolamadan kompozitlere ve sinir stimülasyonuna kadar geniş bir kullanım yelpazesine bakan grafenle ilgili çok sayıda girişim var . Tesla , LG ve kimya devi BASF gibi büyük şirketler de grafenin şarj edilebilir pillerde, esnek veya giyilebilir elektronik cihazlarda ve yeni nesil malzemelerde nasıl kullanılabileceğini araştırıyor.
Grafen, maliyeti düşürecek ve üretim ölçeğini artıracak bir atılım için olgunlaşmıştır ve bu, yoğun bir akademik araştırma alanıdır . 2020’de keşfedilen ve flaş joule ısıtma adı verilen yeni bir teknik özellikle umut vericidir. Araştırmacılar, herhangi bir karbon kaynağından büyük miktarda elektrik geçirmenin, karbon-karbon bağlarını bir grafen yapısında yeniden düzenlediğini göstermiştir. Bu işlemi kullanarak, kömür ve hatta çöp gibi herhangi bir karbon içeren malzemeden nispeten düşük bir maliyetle çok sayıda yüksek kaliteli grafen yapmak mümkündür. Universal Matter Inc. adlı bir şirket zaten süreci ticarileştiriyor.
Grafenin maliyeti düştüğünde, ticari uygulamalar bunu takip edecektir. Grafen için iştah çok büyük , ancak bu malzemenin potansiyeline ulaşması biraz zaman alacak.