Malzeme Bilimi
Grafen gibi 2D Malzemeler, Malzeme Bilimlerinde Yeni Ufuklar Açıyor
Securities.io sitesini Google'daki tercih ettiğiniz kaynaklara ekleyin
Tesadüfi Bir Keşif
Çoğu fiziksel nesne 3B malzemelerden oluşur. Katı maddeler genellikle ya önceden belirlenmiş 3B yapılar içinde düzenli atomlardan (metaller ve kristaller) ya da düzensiz atomlardan (diğer şeyler) oluşur.
Uzun bir süre boyunca, maddenin katı nesneler oluşturmak için yalnızca bu şekilde düzenlenebileceği varsayıldı. Ancak 20 yıl önce (2004), Manchester Üniversitesi’nden iki araştırmacı, Andre Geim ve Profesör Kostya Novoselov, 2B bir malzeme olan grafeni keşfettiler. Grafeni neredeyse tesadüfen keşfettiler; grafit (kurşun kalemi ucunu yapan) üzerine basit bir yapışkan bant uyguladıklarında tek atomluk bir karbon tabakası oluştuğunu fark ettiler.
Bu keşif daha sonra onlara 2010 Fizik Nobel Ödülü’nü kazandırdı.
Grafen karbon atomlarından oluşur, ancak düzensiz formda (grafit) ya da düzenli kristal (elmas) yerine, grafende karbon atomları tek atomluk bir tabakada, ultra ince bir kağıt yaprağı gibi hizalanmıştır. Ayrıca nanotüpler ya da kuantum noktacıklar gibi 1 ya da sıfır boyutlu malzemeler oluşturmanın da mümkün olduğunu keşfettiler.
Kaynak: Ossila
2B malzemeleri özel kılan, bu benzersiz yapılandırmanın benzersiz fiziksel özelliklerle gelmesidir.
Örneğin, grafen son derece iletkendir; elektronlar ışık hızının 1/300ü kadar bir hızla içinde dolaşabilir. Aynı zamanda çok iyi bir ısı iletkenidir ve optik olarak şeffaf olmasına rağmen (görünür ışığın sadece %2’sini emer) herhangi bir malzemenin en yüksek çekme dayanımına sahiptir.
Kaynak: Visual Capitalist
Grafenden Çok Daha Fazlası
Grafenin benzersiz özellikleri, onu hemen binlerce araştırmacının benzersiz elektrik, kimya ve fiziksel özelliklerini ortaya çıkarmak için odak noktası haline getirdi.
Ancak, diğerleri karbon dışındaki elementlerin de 2B malzemeler oluşturup oluşturamayacağını merak etmeye başladı. Cevap evetti; teorik tahminler yüzlerce farklı potansiyel 2B malzeme vaat ediyor. Grafen dışındaki en önemli ve incelenen 2B malzemeler arasında birkaçını şu şekilde sayabiliriz:
- Borophene, bor atomlarından yapılmış, sadece 2015’te keşfedildi.
- Goldene, altın atomlarından yapılmış, ilk kez 2024’te üretildi.
- Silicene, silikon atomlarından yapılmış.
- Phosphorene, fosfor atomlarından yapılmış.
Ayrıca, 2B malzemelerin yalnızca tek bir saf elementten oluşması gerekmediği görülüyor; örneğin molibden disülfür (MoS2) ya da silikon nitrür (Si3N4) tek katmanları.
Diğer atomlar da monolayer’a eklenerek “pürüzlü” bir yüzey oluşturabilir; örneğin grafenin karbon atomlarına hidrojen ekleyerek graphane oluşturmak gibi.
Edgar181 (talk) – Kendi çalışması, Kamu Alanı, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234
Bu aşırı malzeme çeşitliliği nedeniyle, araştırmacılar 2B malzemelerin potansiyelini yeni keşfetmeye başladı.
Uygulamalar – Temel Aspektler
Genel olarak, 2B malzemeleri benzersiz kılan, çok düzenli atomik yapılarının elektronların benzersiz konfigürasyonuna ve atomlar arasındaki sıkı bağa izin vermesidir.
Bu da olağanüstü elektriksel iletkenliği (elektron akışı), termal iletkenliği (atomlar arasındaki enerji seviyelerinin transferi) ve fiziksel dayanıklılığı (elektron değişimiyle oluşan kovalent bağlar) açıklar.
2B yapı, aynı zamanda bu malzemelere bilinen tüm malzemeler arasında en yüksek özgül yüzey alanını (etkileşimin mümkün olduğu yüzey) sağlar. Bu da onları yeni katalizör formları ya da genel olarak kimyasal ve elektriksel reaksiyonlara katılmak için mükemmel adaylar yapar.
Süperiletkenler
Elektronlar 2B malzemelerin yüzeyinde neredeyse tamamen serbest akıp gittiği için, bu malzemeler süperiletkenlik için iyi adaylar olarak görülmüştür.
Süperiletkenlik, bir malzemenin elektriği hiçbir direnç göstermeden iletebilmesidir.
Bu, sadece enerji kaybının olmaması (uzun mesafelerde güç taşıma açısından çok faydalı olabilir) değil, aynı zamanda malzeme içinden geçen akımın ısı üretmemesi anlamına gelir. Bu da onu bilgisayarlardan elektrikli araçlara ve elektriği kullanan hemen her teknolojiye kadar çok çeşitli uygulamalar için son derece faydalı kılar.
Oda sıcaklığında süperiletkenler sorusunu özel makalemizde daha ayrıntılı olarak inceledik (Oda sıcaklığında süperiletkenler sorusunu özel makalemizde daha ayrıntılı olarak inceledik).
Doğru koşullarda (ör. sıcaklık, basınç vb.) süperiletkenlik gösterebilir, şunlar dahil: doğru koşullarda (ör. sıcaklık, basınç vb.) süperiletkenlik gösterebilir, şunlar dahil:
- Elemental metal ultra ince filmler.
- Kupratlar.
- Perovskit oksitleri.
- Nadir toprak metal ağır fermiyon bileşikleri.
- Grafen.
- Oksit yüzeylerinde demir selenit.
- Metal yüzeylerde organik iletkenler.
Yarıiletkenler
Yarıiletkenler, iletken bir durumdan (elektronları transfer eder) izole bir duruma (elektronları engeller) seçici olarak geçebilen malzemelerdir. Bu, silikon transistörlerin ve diğer hesaplama elemanlarının inşa edildiği temel ilkedir; 0 elektrik akımı yok, 1 akım var demektir.
Bir yarıiletkenin durum değiştirme hızı ne kadar hızlıysa, ilgili hesaplama da o kadar hızlı olur.
Grafen
İlk başta, grafeni inceleyen araştırmacılar, onun yarıiletkenlerde silikonu yerine geçebileceğini düşündüler. Ne yazık ki, “band aralığı” adı verilen kritik bir elektronik özelliği yok.
Band aralığı, bir malzemenin metal (elektrik ileten), izolatör (elektriği engelleyen) ya da yarıiletken (iletken ve izolatör arasında geçiş yapabilen) olarak sınıflandırılmasını belirler.
Kaynak: Energy Education
Sorun, grafenin hiç band aralığı olmaması, bu yüzden yarıiletken olarak kullanılmasını engellemesidir.
2024’e kadar, araştırmacıların grafenden yapılmış dünyanın ilk yarıiletkenini oluşturduklarını duyurana kadar (2024’e kadar, araştırmacıların grafenden yapılmış dünyanın ilk yarıiletkenini oluşturduklarını duyurana kadar).
“Şimdi, silikonun on kat daha yüksek mobilitesine sahip son derece sağlam bir grafen yarıiletkenine sahibiz ve ayrıca silikonun sunmadığı benzersiz özelliklere de sahip.
“Malzemeyi nasıl işleyeceğimizi, nasıl daha da iyileştireceğimizi ve nihayetinde özelliklerini nasıl ölçeceğimizi öğrenmek zorunda kaldık. Bu çok, çok uzun bir zaman aldı.”
Goldene
İlgi çeken bir diğer 2B malzeme, goldene; temelde grafen ama karbon atomları yerine altın atomları bulunur.
Altın, oksidasyona karşı direnci ve çok yüksek elektriksel iletkenliği sayesinde çiplerde ve bilgisayar bileşenlerinde zaten yaygın olarak kullanılmaktadır.
2024’te ilk goldene monolayer üretimiyle, yarıiletken özellikleri listeye eklenebilir.
“Bir malzemeyi son derece ince yaptığınızda, olağanüstü bir şey olur – grafen gibi. Aynı şey altınla da olur. Bildiğiniz gibi, altın genellikle bir metaldir, ancak bir katman tek atom kalınlığındaysa, altın bir yarıiletken haline gelebilir.”
Organik Yarıiletkenler
Organik moleküller, karbon iskeleti ve genellikle oksijen, azot, kükürt gibi diğer elementlerden oluşur.
Kaynak: POSTECH
Ardından, yarıiletken üretiminde yaygın olarak kullanılan p-tipi doping adlı bir adım kullandılar.
Bu, bir yarıiletken malzemeye element ekleyerek onun daha iletken hâle getirilmesini ifade eder.
Kaynak: Wikipedia by VectorVoyager
Ortaya çıkan malzeme, araştırmacılar tarafından “olağanüstü elektriksel iletkenliğe” sahip olarak tanımlandı.
Bu nedenle, grafen gibi malzemeler yarıiletken konfigürasyonunda toplu üretimde çok zor olsa ya da goldene çok pahalı olsa bile, organik yarıiletkenler yakın gelecekte 2B yarıiletkenlerin benimsenmesini sağlayacak muhtemelen mevcut olacaktır.
Süper-Malzemeler
Elektriksel özellikler bilim insanlarının 2B malzemelere olan ilgisinin çekirdeği olsa da, fiziksel özellikleri de aynı derecede etkileyicidir.
Örneğin, grafen aynı kütle için çelikten 200 kat daha güçlüdür. Grafen, çelik gibi zırhlı betonda kullanılan çelik gibi betona entegre edilebilir, betonu 2,5 kat daha güçlü ve 4 kat daha az su geçirgeni yapar. Ayrıca, grafen çelik gibi paslanmaz, bu da grafen takviyeli betonu demir oksidasyonundan kaynaklanan “beton çürümesi”ne karşı dayanıklı kılar; bu durum beton yapıların ömrünü ciddi şekilde kısıtlar.
Grafen ve diğer 2B malzemelerin aşırı dayanıklılığı + hafifliği, daha iyi vücut zırhları üretmek için de kullanılabilir.
Araştırmacılar, son zamanlarda hem izolatör hem de sert bir malzeme üretebileceğinizi buldular (araştırmacılar, son zamanlarda hem izolatör hem de sert bir malzeme üretebileceğinizi buldular (az bulunan bir kombinasyon) 2B hibrit organik-inorganik perovskitler oluşturarak.
2B malzemeler, grafen ve hekzagonal boron-nitrit, elektronik ve optoelektronik cihazlarda ısı dağıtmak için de kullanılabilir.
Son olarak, gelişmiş ultra dayanıklı 2B malzemeler, geleceğin altyapılarını, örneğin uzay asansörleri gibi, gerçekleştirmek için kullanılabilir. Ancak, bu adımlar yalnızca bu malzemeleri gram ya da kilogram bazında değil, milyonlarca ton ölçeğinde ekonomik olarak üretebildiğimizde gerçekçi olacaktır.
Biyoteknoloji
Çok yüksek yüzey alanı, son derece ince katman ve benzersiz kimyasal özellikler, 2B malzemeleri tıp ve biyoteknoloji sektörlerinde birçok niş uygulama için iyi adaylar yapar.
Bu, ilaç taşıma, görüntüleme, doku mühendisliği, biyosensörler ve gaz sensörlerini içerir.
Biyolojik uygulamalarda 2B malzemelerin ortaya çıkmasında bir diğer faktör, son keşiflerin onlara ‘kiralite’ adı verilen bir özellik kazandırmasıdır.
Kiralite, moleküllerin sol/sağ simetrisine sahip olduğu anlamına gelen bir kimya terimidir. Kiralite, organik moleküllerin önemli bir özelliğidir; örneğin proteinlerin yapı taşları olan amino asitler.
Kaynak: UC Santa Barbara
Moleküllerde, kiralite biyolojik ya da kimyasal birimlerin iki versiyonunun var olmasını sağlayabilir; bu versiyonlar mükemmel eşleşemez, bir sol ve sağ eldiven gibi. Birbirlerini tam olarak yansıtabilirler, ancak sol eldiven sağ elin yerine asla aynı derecede oturmaz.
Pr. Dipanjan Pan
Yakın zamanda, araştırmacılar, borofen plaklerini, borofen parçacıklarının kan dolaşımına girmesine benzer şekilde sentezlediler. Farklı borofen versiyonlarının kiral özelliklerinin hücre zarlarıyla farklı etkileşime girdiğini ve hücrelere farklı şekilde girdiğini keşfettiler.
Bu, “hücre etkileşimlerini kesin olarak izleyebilen kontrastlı, daha yüksek çözünürlüklü tıbbi görüntüleme geliştirme veya belirli malzeme-hücre etkileşimleriyle daha iyi ilaç taşıma” gibi uygulamalar için özelleştirilmiş borofen yapıları tasarlama yolunu açıyor.
Borofen yapısının canlı hücrelerle nasıl etkileştiğine dair daha iyi bir anlayış, güvenlik profilini de netleştirmeye yardımcı olacaktır.
Grafenin insan sağlığına akut bir risk olmadan güvenli bir şekilde solunabileceği görülüyor (grafenin insan sağlığına akut bir risk olmadan güvenli bir şekilde solunabileceği görülüyor). Bu sonuçlar hâlâ çok öncül olsa da, 2B malzemelerin hızlı yayılımının halk sağlığı sorunlarına yol açmayacağını muhtemelen gösteriyor.
Ve ne kadar biyouyumlu olurlarsa, kan dolaşımımızda biyolojik sensörler geliştirmek ya da nanorobotları güçlendirmek o kadar olasıdır.
Sınırlamalar
Büyük Ölçekte Üretim
En köklü ve ilk keşfedilen 2B malzeme olan grafen bile hâlâ büyük ölçüde laboratuvarların ve girişimlerin alanıdır.
Bunun nedeni, ölçekli üretimin hâlâ zor bir konu olmasıdır. Küçük miktarlar üretmek nispeten kolaydır, ancak büyük miktarları yarı otomatik bir şekilde üretmek kolay değildir.
Grafite bir parça üzerine yapışkan bant uygulanması grafeni keşfetmek için yeterliydi. Ancak, kütle üretimi için Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) gibi çok daha karmaşık yöntemler gereklidir.
Oksijensiz CVD süreciyle yüksek saflıkta grafen üreten bir sürecin yayınlanması (oksijensiz CVD süreciyle yüksek saflıkta grafen üreten bir sürecin yayınlanması).
Yapıştırma
2B malzemelerle ilgili bir diğer sorun, çok ince ve kimyasal olarak benzersiz olmaları nedeniyle diğer malzemelere yapıştırılmalarının zor olabilmesidir.
Genellikle bir grafen tabakasının bilgisayar çiplerine, bir güç kaynağına ya da bir tıbbi cihaza yapışmasını sağlamak için özel teknikler gerekir.
Bu, daha az verimli ancak uygulanması daha kolay alternatiflerden çok daha zaman ve kaynak tüketen bir süreç olabilir.
Maliyetler
Şu anda, çoğu üretim yöntemi ve mevcut cihazlara uygulamaları büyük ölçüde küçük ölçekli ya da özel olduğundan, 2B malzemeler oldukça pahalı kalmaktadır.
Grafenin fiyatı $20-2,000/kg arasında değişmektedir (grafenin fiyatı $20-2,000/kg arasında değişmektedir).
Bu, en ucuz fiyatta bile grafenin çelikten 20 kat daha pahalı olduğu anlamına gelir. Ayrıca, çeliği ikame etmek için kabul edilebilir performansa ulaşmak muhtemelen en düşük saflıktan daha yüksek bir saflık gerektirir.
2B Malzeme Şirketleri
2B malzemeler alanı çok hızlı bir şekilde evrimleşiyor; goldene gibi yeni seçenekler düzenli olarak keşfediliyor ve grafeni yarıiletken hâline getirmek gibi “eski” malzemeleri optimize etme konusundaki yeni bilgiler ortaya çıkıyor.
Bu ürünler, ancak ölçekli ve endüstriyel yöntemlerle üretildiklerinde büyük bir ekonomik sektör haline gelebilir.
Şu ana kadar en gelişmiş ve iyi belgelenmiş yöntem CVD’dir; bu, CVD uzmanlarına 2B malzeme üretiminin değerinin büyük bir kısmını yakalama konusunda önemli bir avantaj sağlar.
1. Veeco
VECO Fiyat Grafiği
Veeco, 1945’te kuruluşundan bu yana yarıiletken üretim endüstrisine ekipman sağlayan büyük bir tedarikçi olmuştur. Makinaları, gelişmiş EUV çip üretimi, 5G antenleri, sabit diskler, LIDAR, LED’ler, elektrikli araçlar için güç elektroniği vb. üretiminde kullanılmaktadır.
Kaynak: Veeco
Şirketin ana teknolojik odak noktası, borofen üretiminde kullanılan aynı CVD süreci, daha doğrusu MOCVD (Metal-Organik Kimyasal Buhar Biriktirme)dir.
Kaynak: Veeco
Yarıiletken endüstrisinin bu niş segmentinde lider bir şirket olarak, Veeco daha fazla CVD uygulamasının yükselişine yatırım yapmak için iyi bir aday olabilir.
Bu büyüme, grafen, tungsten ve borofen kullanımının artmasından kaynaklanabilir; atom seviyesinde maddeyi manipüle etme konusundaki yeteneklerimiz geliştikçe.
Ayrıca, dijitalleşme, yapay zeka ve elektrifikasyon gibi büyük trendlerden de fayda sağlayacaktır; 2B malzemeleri yakında büyük ölçüde kullanıp kullanmayacağına bakılmaksızın.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
GMG, ısı kaplaması ve yağlayıcılar gibi zaten kanıtlanmış grafen bazlı ürünlere odaklanmış bir grafen üreticisidir.
Bu, GMG’yi grafen pazarına doğrudan maruz kalmak isteyen yatırımcılar ve grafeni toplu üretmekte ve mevcut üretim yöntemini iyileştirmekte aktif bir şirket arayanlar için iyi bir seçenek haline getirir.
Kaynak: GMG
Bazı ek uygulamalar, grafen yarıiletkenlerinin (bkz. “Grafen Yarıiletkenleri – Sonunda Burada Mı?”) oluşturulması ya da hatta oda sıcaklığında süperiletkenler olabilir. Grafen kaplaması ayrıca bataryalarda ve hidrojen basınçlı kap teknolojilerinde kullanılabilir.
Kaynak: GMG
GMG, grafenini metan + hidrojenle üretir; bu, çoğu rakibinin doğal grafit yataklarından üretmesinden farklıdır. Bu, daha yüksek saflık, daha fazla ölçeklenebilirlik ve düşük maliyetli üretim sağlar.
Şirket, 2023’te Avustralya’da ilk üretim tesisini açtı ve yılda 1 milyon litre ısı değiştirici kaplama üretimi kapasitesine sahiptir.
Şirketin bir sonraki adımı, grafen alüminyum iyonuna dayalı batarya teknolojisi olacak; bu teknoloji 290 Wh/kg enerji yoğunluğuna, lityum-iyon bataryalardan 60 kat daha hızlı şarj, 3 kat daha uzun batarya ömrü ve daha iyi yangın riski profiline sahiptir.
Kaynak: GMG
Bu batarya pazarına giriş, GMG için büyük bir risk olabilir, ancak aynı zamanda grafen için, özellikle EV’lerde ve diğer enerjiyle ilgili uygulamalarda, gelecekte açılabilecek pazara benzersiz bir bakış açısı kazandırır.
