Grafenden Goldene’ye: Gelişmiş Tek-Atom Katmanlı Malzemeler Gelecek Keşifler İçin Yeni Kapılar Açıyor

Hiçbirimiz altının değerinden şüphe duymuyoruz. Sonuçta, en popüler ve en uzun süredir değer saklama aracı. Ancak, insanlık medeniyeti tarafından gerçekleştirilen bilimsel ilerlemeler bizi artık Goldene’in eşiğine getirdi. Ve bu en azından bir oyun değiştirici olabilir. Peki Goldene nedir? Bilim camiası neden bu kadar heyecanlı? Daha derinlemesine inceleyelim.

Goldene: Tek Bir Atom Katman Kalınlığında Altın Levhalar

İlk kez, Linköping Üniversitesi’nden araştırmacılar, İsveç, tek bir atom katmanına eşit kalınlıkta altın levhalar oluşturdu. Araştırmacılar bu türevi Goldene adlandırdı. Goldene, karbondioksit dönüşümü, hidrojen üretimi ve katma değerli kimyasalların üretimi gibi birçok karmaşık görevde işe yarayabilir. 

Shun Kashiwaya’ya göre, Üniversitenin Malzeme Tasarımı Bölümü: araştırmacısı olarak,

“Bir malzemeyi son derece ince yaparsanız, olağanüstü bir şey olur – tıpkı grafen gibi. Aynı şey altınla da olur. Bildiğiniz gibi, altın genellikle bir metaldir, ancak tek bir atom katmanı kalınlığındaysa, altın bir yarı iletken haline gelebilir.”

Goldene Nasıl Oluşturuldu?

İcat, titanyum ve karbon katmanları arasına altın yerleştirerek oluşturulan üç boyutlu bir temel malzemenin geliştirilmesiyle başladı. Yüksek sıcaklıklarda, Titanyum Silikon Karbür’ün ince tabakalı silisyumu altınla değiştirildi ve bu da Titanyum Altın Karbür’ün keşfine yol açtı. Ancak bu tesadüfi bir keşifti. Araştırmacılar, elektrik iletken titanyum silikon karbürü altınla kaplayarak temas sağlayabilmeyi hedefliyordu.

İşlerini yürütmek için araştırmacılar, yüz yıldan fazla süredir Japon dövme sanatının bir parçası olarak var olan geleneksel bir yöntemi kullandılar. Bu bileşen Murakami reaktifi olarak adlandırılır. Araştırmacılar, farklı konsantrasyonlarda ve farklı sürelerde kullanarak sonunda bu bileşiğe ulaştılar. 

Altın levhaları istenen tek atom kalınlığında üretebilecek olsalar da, bunların stabil olması çok önemliydi. Levhaların kıvrılmasını önlemek için bir yüzey aktif madde olarak uzun bir molekül (tensid) kullandılar; bu, levhaları ayırıp stabilize etti. 

Son çıktıyı ve bilimsel doğrulamasını açıklarken, araştırmacılardan biri olan Shun Kashiwaya şunları söyledi:

“Altın levhalar bir çözelti içinde, sanki mısır gevreği sütte gibi. Bir tür “elek” kullanarak altını toplayabilir ve bir elektron mikroskobu ile inceleyerek başarılı olduğumuzu doğrulayabiliriz. Başardık.”

Goldene’in Birçok Potansiyel Uygulaması

Goldene’in potansiyel uygulamaları, karbondioksit dönüşümü, hidrojen üreten kataliz, katma değerli kimyasalların seçici üretimi, hidrojen üretimi, su arıtma, iletişim ve daha birçok alanı kapsar.

Sonraki çalışmalarda, araştırmacılar bu uygulamalarda kullanılan altın miktarını azaltma ve altını diğer asil metallere ikame etme olasılığını araştırmayı planlıyorlar. Bu yeni bileşiklerin çok daha fazla yeni uygulaması olabilir. 

Goldene birçok yeni kapıyı bilimsel ve teknolojik uygulamalar açısından açma vaadi taşısa da, tek katman atom malzemelerine olan bilim camiasının hayranlığı yeni bir şey değildir. 

Tek Katman Atom Malzemelerinin Merak Uyandıran Durumu: Grafen ve Daha Fazlası

Tek katman atom malzemelerinden bahsettiğimizde, mutlaka Grafen’den söz ederiz. Potansiyeli nedeniyle popülerdir. Grafitten, karbonun kristal formundan elde edilen Grafen hafif, elastik ve dayanıklıdır. İnceliğinin yanı sıra, çelikten 200 kat daha yüksek direnç gösterir. Ancak alüminyumdan beş kat daha hafiftir. Ayrıca ışık absorpsiyon yeteneği ve yüksek elektrik ve termal iletkenliğe sahiptir.  

Grafen, yakın zamanda araştırmacıların ilk işlevsel grafen yarı iletkeni başarıyla gösterdiği bir atılım nedeniyle daha fazla tartışılıyor. Bu keşif, bilişim ve elektronik dünyasında dramatik değişikliklere yol açabilir. 

Grafen, en popüler ve en geniş uygulama alanına sahip tek katman atom malzemesi olabilse de, bu kategoride birkaç başka örnek de vardır. 

Tek katman atom malzemeleri, 2D katmansız malzemeler olarak da bilinir. Oluşumları, üç boyutta (3D) kimyasal bağlanma ile gerçekleşir ve yüzeyde doymamış sarkan bağlar oluşarak yüksek aktivite ve yüksek enerjili bir yüzey ortaya çıkar. 

Grafen dışında, bu tür tek katmanlı bir malzemenin örneği, fosforen olarak bilinen siyah fosfor (black phosphorus) dir. Diğer katmansız malzemeler arasında silikon ve germanen örnekleri bulunur. 

Katman bağımlı özellikleri, katman kenarı etkileri ve değişken bant yapıları nedeniyle, bu malzemeler kenarlarında benzersiz bir özellik seti sergiler. Gerilim veya uygulanan elektrik alanlarıyla modifiye edilebilir, bu da onlara ayarlanabilir özellikler kazandırır. 

Metal kalsojenidler, metal oksitler, III-V yarı iletkenler ve organik-inorganik perovskitler, en yaygın tek katman atom veya iki boyutlu katmansız malzemeler arasındadır. 

Bu tür malzemelerin gerçek hayattaki bazı örneklerine kısaca bakalım. Metal Kalsojenid örnekleri arasında molibden disülfür (MoS2), tungsten disülfür (WS2) ve tungsten diselenür (WSe2) bulunurken, indiyum oksit (In2O3), kalay oksit (SnO2) ve çinko oksit (ZnO) metal oksitlerin başlıca örnekleridir. 

III-V yarı iletkenler, bir grup III elementi (alüminyum, galyum veya indiyum gibi) ile bir grup V elementi (fosfor, arsenik veya antimon gibi) bağlanmasıyla oluşur. Galyum Arsenid ve İndiyum Fosfat, III-V yarı iletkenlerine örnek teşkil eder. 

Organik-inorganik perovskit örnekleri arasında metil amonyum kurşun iyodür (MAPbI3) ve formamidinyum kurşun iyodür (FAPbI3) bulunur.

Bu malzemeler çeşitli uygulamalara sahip olabilir. Bu alanda çözümler geliştiren işletmeler var. Takip eden bölümde bunlara bakacağız. 

#1. Haydale Graphene Industries

Grafenin inert doğası benimsenmesini zorlaştırıyordu. Haydale Graphene Industries, bu sorunu çözmek için plazma fonksiyonelleştirme problemini sorunsuz aşabilen bir toz-içeri, toz-çıktı süreci geliştirdi. 

Grafenin potansiyelini ortaya çıkarabilen bu süreç, gerekli mekanik dayanıklılığı ve artırılmış elektrik ve termal iletkenliği sağlayarak grafen ve diğer nanomalzemeleri iyileştiren kuru, temiz ve çevre dostu bir yöntem olan Haydale HDPlas olarak adlandırıldı. 

Haydale, biyomedikal cihazlar, esnek elektronik, ısıtma elemanları ve giyilebilir teknoloji için özelleştirilebilir grafen mürekkepleri dahil olmak üzere birçok ilginç grafen tabanlı çözüm geliştirdi. Ayrıca beyaz grafen olarak bilinen fonksiyonelleştirilmiş bor nitrür sağlayıcıdır. Bu sentetik seramik malzeme toksik değildir ve katı ve toz formunda bulunabilir. Özellikleri arasında yalıtım, dayanıklılık, hafiflik ve elektrik iletkenliği yer alır. 

Haydale’ın fonksiyonelleştirilmiş grafen ve nanomalzeme katkı maddeleri portföyü, elastomer ürün üretiminde de etkili olduğunu kanıtlıyor. Bunlar bisiklet ve yol lastikleri, ayakkabı kauçuk tabanları, contalar ve sızdırmazlık elemanları üretiminde kullanılabilir. Haydale’ın Silikon Karbür grafen ürünleri, beton ürünlerini korumak için seramik-polimer yüzey işleminde kullanılır. 

Grafen kullanarak Haydale, faydalı kompozitler, termoplastikler ve güneş kesme araçları da geliştirdi. 

Son zamanlarda Haydale (AIM: HAYD), 31 Aralık 2023 tarihinde sona eren yıl için Ara sonuçlarını duyurdu (“FY23”). Rapora göre, Grup Gelirleri %38 artarak 2,47 milyon £’a (FY23’ün ilk yarısı 1,78 milyon £) yükseldi.

#2. Siemens

Grafen folyo için bir başka ileri düzey kullanım durumu, Siemens’in siklotron inşasında görülebilir. Bir araştırmacı grubu, 11-MeV Siemens Eclipse Siklotronunda bir ekstraktör (stripper) folyo olarak grafen folyo kullandı. 

Bu folyo, karbona kıyasla olağanüstü yüksek termal iletkenlik ve önemli mekanik dayanıklılık gösterdi. Ömürleri 16.000 PA*H’dan fazlaydı. Grafen folyo kullanımı, iletim faktöründe (stripper folyo üzerindeki ışın akımı ile hedef üzerindeki akım arasındaki oran) %90’ın üzerinde önemli bir artış sağladı. 

Deney, tek atom katmanlı grafen folyonun genellikle stripper folyo olarak kullanılan diğer karbon folyo ile verimli bir şekilde rekabet edebileceğini gösterdi. 

Siemens, dünya çapında yüksek kaliteli, sofistike ve teknoloji yoğun ürünler üretmesiyle tanınır. Tek katman atom malzemelerini folyo formunda kullanan böyle bir şirket, bu kategorinin potansiyelini gösterir. 

2023 mali yılında, Siemens 19,66 milyar Euro gelir elde etti; bu, 2022’de kaydedilen 17,39 milyar Euro’dan belirgin bir artıştır. 

Tek Atom Katman Malzemeleri Çevresinde Daha Fazla Keşif

Son araştırmalar, Goldene veya Grafen gibi malzemelere ek olarak, monolayer Siyah Fosfor (Phosphorene) adlı tek katman fosforenin algılama uygulamalarında belirgin avantajlar sunduğunu gösterdi. Bilim insanları ve araştırmacılar bu benzersiz faydaları, Phosphorene’in “kıvrımlı” kafes yapısına bağlamaktadır; bu yapı, malzemeye grafen ve geçiş metal dikalkojenitlerinden (TMDC’ler) daha büyük bir yüzey-hacim oranı verir. Phosphorene, uygulamalarda çok yönlüdür ve gaz algılama, nem algılama, foto-deteksyon, biyolojik algılama ve iyon algılama gibi çeşitli algılama senaryolarında kullanılabilir.

Phosphorene ayrıca elektronik ve optoelektronik alanında da önemli bir vaat göstermektedir. Bilimsel yayınlar, içsel olarak anizotropik elektronik, taşıma, optoelektronik, termoelektrik ve mekanik özelliklerinin grafen ve geçiş metal dikalkojenitlerinden belirgin şekilde farklı olduğunu ortaya koymuştur. Phosphorene’in kolay üretilebilirliği ve yeni özellikleri, yeni nanocihazların tasarımını ve gösterimini teşvik etmiştir. 

Başka bir çalışma, grafen ve phosphorene’in birleştirilmesinin faydalarına işaret etti. Bu kombinasyonun nasıl faydalı olabileceğini daha derinlemesine incelemek için, sodyum iyon bataryalarının lityum iyon bataryalarına alternatif olarak karşılaştırmalı konumlarına bakıyoruz. Sodyum iyon bataryaları, lityum iyon bataryalarına benzer performanslar sergilese de, daha uygulanabilir anot malzemeleri geliştirmek zorluktur. İşte bu noktada grafen-phosphorene kombinasyonu devreye giriyor.

Bilimsel bir deneyde, araştırmacılar potansiyelini gösterdi. Grafen katmanları arasına birkaç phosphorene katmanı yerleştirilmiş bir hibrit malzeme, 0,05 A g−1 akım yoğunluğunda 2.440 mA h g−1 (sadece fosfor kütlesi kullanılarak hesaplanmıştır) özgül kapasite ve 100 döngü sonrasında %83 kapasite tutma oranı gösterdi; çalışma aralığı 0‑1,5 V arasındaydı.

Araştırmacılar, geliştirdikleri anotun yüksek kapasitesini açıklamak için in situ transmisyon elektron mikroskobu ve ex-situ X-ışını difraksiyon tekniklerini kullandılar. Bu anotu, fosforen katmanlarının x ekseni boyunca sodyum iyonlarının interkalesi ve ardından Na3P alaşımının oluşumu şeklinde çift mekanizma ile geliştirdiler.

Bilim camiasının hayal gücünü başarıyla yakalayan bir diğer tek atom katman malzemesi ise Germanen’dir. Germanen’e ilgi öncelikle optik özelliklerinden kaynaklanmaktadır. İlgili hesaplamalar, Germanen tabakasının güneş spektrumunda önemli ışık absorpsiyonu ve optik anizotropi gösterdiğini ortaya koymuştur.

Germanen, K noktasında sıfır bant aralığı ve lineer bant dağılımına sahip bir yarı iletken olduğu için benzersizdir. Bant aralığı açılması, bias voltajı varlığında gerçekleşir ve bias voltajı gücü arttıkça lineer olarak artar.

Dolayısıyla, sadece Goldene değil, grafen, phosphorene, germanen ve daha fazlasını içeren bir dizi tek atom katman malzemesi, gelecekteki keşifler için yeni bilimsel ufuklar açmak üzere.

Bu malzemelerin özelliklerine odaklanmamız gerekir. Ancak o zaman daha fazla uygulama keşfedebiliriz. 2D katmansız malzemelerin yüksek yüzey aktivitesinin, karbondioksit oksidasyonu ve suyun indirgenmesi gibi kritik reaksiyonlar için faydalı katalizörler olduğunu unutmamalıyız.

Bu malzemeler, yakıt hücreleri ve güneş hücreleri geliştirilmesine yardımcı olarak enerji depolama ve dönüşümünde değerlerini kanıtladı. Optoelektronik alanında, özellikleri yüksek kaliteli ışık yayan diyotlar, lazerler ve sensörlerin üretilmesini sağlar. Topolojik yalıtım özellikleri, yüzeyinde elektrik ileten ancak kütlesinde yalıtkan olan yalıtkanlar üretmeye de yardımcı olur.

Genel olarak, gelişmiş tek atom katmanlı malzemeler çok sayıda fırsatın kapılarını açar. Gelecekte, yaygın benimsenmesini kesinlikle göreceğiz!

Nanoteknoloji geliştirmesinde öncü beş şirketin listesi için tıklayın.