Malzeme Bilimi
Grafeni Temizlemek, Ticarileştirmenin Anahtarı
Securities.io sitesini Google'daki tercih ettiğiniz kaynaklara ekleyin
Yıllar içinde, grafen birçok sıfat kazandı. Bazıları ona ‘akıl almaz harika malzeme’ derken, diğerleri ‘kanıtlanmış süpermalzeme’ olarak adlandırdı. Dünya, grafenin harikalarına bir on yıldan fazla bir süre önce uyanmıştı.
2012 yılında Nature, ‘A roadmap for graphene‘ başlıklı bir makale yayınladı, bu makale grafenin bilim camiasının gözdesi haline hızlıca gelmesinin nedenlerini açıkladı. Araştırmacılar, bu ilginin sebebi olarak grafenin özelliklerini vurgulayarak şöyle söylediler:
“Bu tek atom kalınlığındaki karbon kumaşı, olağanüstü mekanik dayanıklılığı, son derece yüksek elektronik ve termal iletkenlikleri, gazlara karşı geçirimsizliği ve birçok başka üstün özelliği benzersiz bir şekilde birleştirir; tüm bunlar onu sayısız uygulama için son derece çekici kılar.”
Grafenin potansiyelini fark eden Avrupa Birliği, 2013 ile 2023 yılları arasında ona 1 milyar Euro ya da 1,3 milyar ABD Doları ayırmaya karar verdi. Yatırım, özellikle elektronik, enerji, sağlık, inşaat vb. alanlarda uygulandığında grafenin dönüştürücü yeteneklerini ortaya koymayı amaçladı. Bu girişimler, 2005 ile 2013 yılları arasında grafen hakkında 8.000’den fazla makale yazılması gibi uzun bir araştırma geçmişinin desteğini aldı.
O zamandan beri, bilim camasında grafene olan ilgi azalmadı. Şimdi araştırmacılar, grafeni daha büyük ölçekte ticarileştirmenin yollarını inceliyorlar. Bu tür bir çalışmada, Columbia Üniversitesi’nden bir mühendis ekibi, Montreal Üniversitesi ve Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nden meslektaşlarıyla birlikte grafenin temizlenmesi olanaklarını inceledi ve onu büyük ölçekli, ticari üretime hazır hale getirdi.
Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) Yöntemiyle Grafen Sentezinin Karşılaştığı Zorlukların Üstesinden Gelmek
CVD, grafen sentezlemenin iki geleneksel yönteminden biri olmuştur; diğeri ‘scotch-tape’ (bant) yöntemidir. CVD büyümesi olarak da bilinen bu yöntem, metan gibi karbon içeren bir gazı yaklaşık 1000 °C’de bir bakır yüzeyin üzerinden geçirerek hedeflerine ulaşır.
Bu süreç, metanı parçalayarak karbon atomlarının tek bir petek şeklinde grafen tabakasında yeniden düzenlenip hizalanmasını sağlar. Bu yöntemin ‘scotch-tape’ yöntemine göre avantajı, CVD büyümesinin santimetre hatta metre boyutunda çok daha büyük grafen örnekleri üretebilmesidir. Öte yandan ‘scotch-tape’ yöntemi çok küçük grafen üretir; birkaç on mikrometre boyutunda.
Grafenin CVD büyümesiyle elde edilen çıktılar, ‘scotch-tape’ yönteminin çıktılarından çok daha geniş bir kullanım alanına sahiptir. Ancak, CVD ile sentezlenen örnekler tekrarlanabilirlik sorunları ve değişken kalite sorunları yaşar.
Bu zorlukların üstesinden gelmek için araştırmacılar, ölçekli olarak yüksek kaliteli grafen örnekleri üretebilen oksijensiz kimyasal buhar biriktirme (OF-CVD) yöntemini geliştirdiler.
İnovasyon ve öncü kalitesi hakkında konuşurken, araştırmanın kıdemli yazarı ve Columbia Engineering’de Wang Fong-Jen Mekanik Mühendisliği Profesörü James Hone şu sözleri söyledi:
“Büyüme sürecinden neredeyse tüm oksijeni ortadan kaldırmanın, tekrarlanabilir, yüksek kaliteli CVD grafen sentezine ulaşmanın anahtarı olduğunu gösteriyoruz. Bu, grafenin büyük ölçekli üretimine doğru bir dönüm noktasıdır.”
Araştırma, bilim ve teknoloji alanında elde ettiklerinin yanı sıra akademik işbirliklerinin nasıl çalışması gerektiğini de gösterdi. Altı yıl önce, Montreal’den araştırmanın ortak yazarları Richard Martel ve Pierre Levesque, oksijenin iz miktarının büyüme sürecini yavaşlatıp grafeni aşındırabileceğini göstermişti. O dönemde, Martel ve Levesque’in bulgularına dayanarak, Christopher DiMarco, GSAS 19, otomasyon sürecinde oksijen miktarını kontrol edebilen bir CVD büyüme sistemi tasarlayıp inşa etti.
Mevcut çalışma, Martel, Levesque ve Di Marco’nun çalışmalarının bir devamıdır; burada şu anda doktora öğrencisi olan Xingzhou Yan ve Jacob Amontree, iz oksijenin ortadan kaldırıldığında CVD büyümesinin çok daha hızlı olduğunu keşfettiler. Bu oksijensiz CVD ile büyütülen örneklerin kalitesi, neredeyse ayırma yoluyla elde edilen grafeninkine eşdeğerdir; bu da oldukça temiz ve grafenin istenen özelliklerine müdahale edebilecek kirleticilerden arındırılmış demektir.
Temiz ve saf grafen üretmenin yanı sıra, araştırmacılar gaz basıncı ve sıcaklık gibi çeşitli parametreler üzerinden CVD büyüme hızını tahmin etmenin mümkün olduğunu buldular.
Gelecek günlerde, araştırmacılar yüksek kaliteli grafeni metal büyüme katalizöründen silikon gibi diğer fonksiyonel alt tabakalara temiz bir şekilde transfer etmek için bir yöntem geliştirmeyi planlıyor. Bu, grafenin olasılıklarını çok daha genişletecektir.
‘Temiz’ Grafen: Ticarileştirmenin Anahtarı
Grafen, ilk günlerinden itibaren birçok özelliğiyle dikkat çekmiştir. Karbonları, sadece 0,3 nanometre kalınlığında ve atomlar arasında sadece 0,1 nanometre mesafe bulunan altıgen bir petek yapısında mükemmel bir şekilde dağıtılmıştır. Bu yapısal sadelik ve saflık, grafene çeşitli özellikler kazandırır.
Örneğin, çelikten 200 kat daha güçlü ancak altı kat daha hafiftir. Şeffaflığı neredeyse mükemmeldir; ışığın %98’ini geçirirken sadece %2’sini emer. Grafen ayrıca gazlara karşı geçirimsizdir ve özellikleri, yüzeyine kimyasal bileşenler eklenerek değiştirilebilir. Ulusal Uzay Çalışmaları ve Araştırma Ofisi (ONERA) çalışanı Annick Loiseau, “Gelecek kurşun kalem grafitinde yatıyor!” sloganını ortaya attı.
Özünde, grafen ticarileşmeye hazırdı. Büyük sıçrama için hazırlanmıştı. Ancak, boyutunu korurken grafeni temizleme konusu hâlâ bir tartışma konusuydu. Mevcut araştırma, santimetre hatta metre boyutunda temiz grafen üretmenin ve tam ölçekli ticarileştirmeye hazır hale getirmenin yolunu gösteriyor.
Grafenin faydaları herkesin keşfetmesi ve kullanması için mevcut olduğunda, bilim camiası diğer tek katmanlı element yapıların olasılıklarını incelemeye ilgi duydu. Ayrıcalık kazanan element Boron’du; tek katmanı Borophene olarak adlandırılıyor.
Grafen ve Borofen Arasındaki Karşılaştırma
Grafen ve Borofen, ilgili elementlerinin tek katmanlarından oluşur. Yüksek yapısal dayanıklılığa, yüksek esnekliğe sahiptir ve kolayca bozulmazlar.
Bazı farklılıklar da vardır. Örneğin, grafen düz levhalar ve altıgen bir kafes yapısına sahiptir. Borofen levhaları hafif bir eğriye sahiptir ve üç alt-allotropta, üçgen ve altıgen düzenlemeleri farklılık gösterir.
Grafenin sahip olduğu özellikleri zaten tartıştık. Borofen’in özellikleri, yüksek elektriksel iletkenliği ve ‘a’ yönündeki optik şeffaflığı ile fotovoltaik, esnek elektronik ve ekran teknolojilerinde kritik bir element olmasını sağlar; ayrıca çeşitli yeni anizotropi türlerine sahiptir.
Genel olarak, grafen ve borofen geliştirmeleri, ilginç uygulama niteliklerine sahip farklı teknolojik yenilikleri deneme imkanı sağladı.
Bugünkü tartışmamız, grafen etrafında dönüyor; grafenin uygulamasında yenilikçi olan şirketlere bakacağız. Ancak bireysel şirketleri ve başarılarını incelemeden önce, grafenle farklı çözümler geliştirmek için yeni ufuklar açan öncü konsorsiyum olan Graphene Flagship’i incelemeliyiz.
Graphene Flagship
Avrupa Birliği tarafından finanse edilen Graphene Flagship, 12 araştırma ve yenilik projesi ile bir koordinasyon ve destek projesinde 118 akademik ve endüstriyel ortağı bir araya getirerek ‘grafen ve diğer 2D malzemelere dayalı teknolojilerde Avrupa’nın stratejik özerkliğini ilerletmeyi’ hedeflemektedir.
Son on yılda, Graphene Flagship birçok dönüm noktasına ulaştı. Şu ana kadar bu dönüm noktalarından en yeni ve belki de en hayati olanı, grafenin öncü 2D malzeme yarı iletken entegrasyon projesinin başarısı oldu.
Proje, grafen ve ilgili malzemeleri (GRM) laboratuvardan çıkarıp ölçeklenebilir ticari üretim ve kullanıma getirmek amacıyla Ekim 2020’de başladı. 20 milyon Euro bütçe ile dört yıl boyunca dağıtılan 2D Experimental Pilot Line (2D-EPL) projesi, prototipleme, wafer üretimi ve süreç etkinleştirmeye odaklandı.
Sonuçlar en azından umut vericiydi, söylemek gerekir. Projenin başarıları sayesinde akademisyenler, araştırmacılar ve özel şirketler, 2D malzeme cihazları için yeni fikirleri test etme ve prototipleme konusunda benzeri görülmemiş bir fırsata sahip oldular. Bu, düşük maliyetli, büyük ölçekli prototip geliştirmeyi mümkün kılan çoklu proje wafer (MPW) çalıştırmalarına yol açtı.
Süreç etkinleştirme alanında, Graphene Flagship, bilim camasına Aixtron’dan bir metalorganik kimyasal buhar biriktirme (MOCVD) reaktörü ve SUSS MicroTec’ (SMHN.SW ) ten otomatik bir 2D katman transfer aracı dahil olmak üzere iki özel yeni araç inşa ederek yardımcı oldu. Bu araçlar, 2D malzeme büyümesi ve katman transfer süreçlerini kapsamlı bir şekilde test etmeyi ve değiştirmeyi mümkün kıldı; bu da gelecekte yüksek üretim kapasitesine ulaşmak için esastır.
Graphene Flagship ve 2D-EPL projesinin başarılarını açıklarken, Graphene Flagship direktörü Patrik Johansson şu sözleri söyledi:
“Pilot Line sadece topladığımız katı veriler ve bilimsel-teknolojik ilerlemelerle ilgili değildir; aynı zamanda — belki de daha da önemlisi — Avrupa’da 2D malzeme yeniliğinin geleceği için fikirlerin çapraz tohumlanmasını sağlayan bir oyun alanı yaratan kişisel etkileşimlerle de ilgilidir. Küresel grafen pazarı, yıllık gelir 2022’de 380 milyon ABD Doları iken sadece beş yılda 1,5 milyar ABD Dolarına çıkacak şekilde, boyut olarak üssel bir büyüme göstermeye ayarlandığından, 2D-EPL gibi projeler Avrupa’yı gelişme ve yenilikte öncü konumda tutmak için hayati önemdedir.”
Konsorsiyumun yanı sıra, bazı bireysel şirketler ve işletmeler de bu alanda olağanüstü çalışmalar yürütüyor. Aşağıdaki bölümlerde, kısaca bu şirketlerden birkaçını ele alacağız.
#1. NanoXplore
2011 yılında kurulan ve Montréa, Quebec’te merkezi bulunan NanoXplore, yıllık 4.000 metrik ton kapasiteli bir grafen tozu üretim tesisine (GRA.TO ) sahiptir; bu tesis modüler bir yapıyla tasarlanmıştır. Şirket, termoplastikler ve termosetlerde endüstriyel malzemelerin performansını artırmak için bir katkı maddesi olarak grafen bazlı çözümler geliştirme ve formülasyon konusunda uzmanlaşmıştır.
NanoXplore tesisinin, poliolefinler ve mühendislik polimerlerinde grafen takviyeli masterbatch’ler oluşturmak için sınıfının en iyisi ekstrüzyon yetenekleri vardır. Patentli özel temiz teknolojisi sayesinde NanoXplore, müşterilerine GrapheneBlackTM tozu ve grafen takviyeli masterbatch granüllerini içeren bir dizi grafen bazlı çözüm sunar. NanoXplore’ın Kompozitler iş bölümü, ulaşım, ambalaj, elektronik ve diğer endüstriyel sektörlerdeki çeşitli müşterilere standart ve özel plastik ve kompozit ürünler sunar.
NanoXplore tarafından sunulan Graphene Black, karıştırılabilirlik ve üretilebilirlik açısından en iyi dengeye sahip çok amaçlı bir grafen tozudur. Bu, grafenin ticari uygulanabilirliğini artırmasını ve plastiklerin ve polimerlerin özelliklerini önemli ölçüde iyileştirmesini sağlar.
NanoXplore ayrıca, silikon destekli Li-ion anotlarında mevcut Li-ion kimyalarına GrapheneBlack ekleyerek, grafen takviyeli pillerinde enerji kapasitesini ve şarj hızlarını artırmayı hedefliyor; bu piller elektrikli araçlar, enerji depolama sistemleri ve elektrikli kamyon ve otobüsler için faydalıdır.
En son finansal raporlarına göre, NanoXplore, 31 Mart 2024’te sona eren üç aylık ve dokuz aylık dönemlerde sırasıyla 33,87 milyon ve yaklaşık 92 milyon Kanada Doları gelir elde etti.
Grafen Tozu temiz üretiminde başarılı olan bir diğer şirket ise GMG ya da Graphene Manufacturing Group Limited’dir.
#2. Graphene Manufacturing Group Limited
Bu, mevcut düşük maliyetli hammadde kaynaklarından grafen tozu üreten, patentli bir üretim sürecine sahip bir temiz teknoloji şirketidir. Süreç, ‘yüksek kalite, düşük maliyet, ölçeklenebilir, ayarlanabilir ve kontaminasyonsuz grafen’ üreterek enerji tasarrufu ve enerji depolama alanlarında çözümler geliştirmeye yardımcı olur.
Daha spesifik olarak, GMG’nin ürün yelpazesi grafen takviyeli ısıtma, havalandırma, iklimlendirme, soğutma (HVAC-R) kaplamaları, yağlayıcılar ve sıvıları içerir. Şirket ayrıca, lityum-iyon pillerden daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip olma potansiyeline sahip GMG grafen alüminyum-iyon pillerinin ticarileştirilmesi üzerinde çalışmaktadır.
31 Mart 2024’te sona eren üç aylık ve dokuz aylık dönemler için, GMG sırasıyla 53.000 ve 212.000 Avustralya Doları gelir elde etti.
Geleceğin Harika Malzemesi?
Grafenin çığır açan özellikleri ve nitelikleri, gelecekte daha fazlasını başarmasını sağlayacak. Elektronik, Fotoni̇k, Enerji, Biyomedikal, Kompozitler ve yarının 2D malzemelerinin tasarımında kullanılacak.
Bu 2D malzemeler olağanüstü fiziksel ve kimyasal özellikler sunar; optoelektronik, enerji, algılama, kompozitler ve daha fazlasında çığır açan uygulamaları mümkün kılar. Hızlı büyümenin anahtarı, grafenle en sürdürülebilir ve düşük maliyetli şekilde çalışacak yöntemler geliştirmektir.
