Grafenin Akordion Etkisi Giyilebilir Teknoloji Geleceğini Güçlendiriyor

Grafen sadece yaklaşık iki thập kỷ önce keşfedildi. Bu kısa süre içinde, bu “mucize malzeme” elektronik ve yarı iletken teknolojisi, enerji depolama, termal yönetim, malzeme bilimi ve diğer endüstrilerde entegral bir parçası haline geldi.

Manchester Üniversitesi’nden Profesörler Kostya Novoselov ve Andre Geim’in 2004 yılında grafeni izole ettiği ve karakterize ettiği günden bu yana, malzeme elektronikteki en heyecan verici araştırma alanlarından biri olarak kaldı ve 2010 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı.

Grafen, tek bir katman karbon atomundan oluşan son derece ince bir sheet olan iki boyutlu (2D) bir malzemedir. Şaşırtıcı özellikler sergiler, bunlar arasında hafifliği, çok yüksek elektriksel iletkenliği ve güçlü mekanik gücü bulunur.

Şimdi, araştırmacılar benzersiz bir yöntem kullanarak grafenin yeni bir özelliğini keşfettiler.

Akordion Etkisi: Grafeni Çok Esnek Hale Getirme 

Jani Kotakoski’nin liderliğindeki Viyana Üniversitesi’ndeki fizikçiler ekibi, ilk kez grafeni, bir akordion gibi çalarak önemli ölçüde daha esnek hale getirdi. Bu yeni özellik, temiz ve havasız bir ölçüm ortamında ortaya çıktı.

Grafendeki dalgalanmalar, malzemenin esnek olmasını sağlar ve bu, giyilebilirlerde kullanım için yol açar, burada malzemelerin vücutla birlikte bükülmesi ve hareket etmesi gerekirken aynı zamanda güvenilir bir şekilde çalışması gerekir.

Physical Review Letters dergisinde yayımlanan¹ çalışma, Viyana Teknoloji Üniversitesi ile işbirliği içinde gerçekleştirildi ve Avusturya Bilim Fonu (FWF) tarafından finanse edildi.

Araştırmacılar, grafenin aşırı sertliğinin, malzemedeki atomların bal peteği şekline dizilmesi nedeniyle olduğunu açıklığa kavuşturan deneyler gerçekleştirdiler; bu nedenle, bazı atomları ve bağlarını ortadan kaldırmak, sertliğini azaltır.

Bilimsel çalışmalar, hem hafif bir azalma hem de önemli bir artış bildirerek çelişkiler rapor etti.

Son çalışma, gelişmiş cihazlar kullanarak bu durumu netleştirdi, bu cihazlar aynı temiz ve havasız ortamı paylaştı. Katokoshi’ye göre:

“Viyana Üniversitesi’nde geliştirdiğimiz bu benzersiz sistem, 2D malzemeleri müdahale olmadan incelememizi sağlar.”

Temiz, havasız ortam, örneklerin farklı cihazlar arasında taşınmasını, ambient havaya maruz kalmadan sağlar.

“Bu tür bir deney ilk kez, grafen tamamen ambient havadan ve içerdiği yabancı partiküllerden izole edilmiş olarak gerçekleştirildi. Bu ayrılmazlık olmadan, bu partiküller hızla yüzeye yerleşir ve deney prosedürü ve ölçümleri etkiler.”

– Çalışmanın ilk yazarı, Wael Joudi

Malzeme yüzeyinin temizliğine odaklanmak, aslında grafenin esnekliği ile ilişkili akordion etkisinin ortaya çıkmasına neden oldu.

İki komşu atomun çıkarılması, başlangıçta düz olan malzemenin belirgin bir şekilde şişmesine neden olur. Bu şişkinliklerin bir araya gelmesi, malzemenin dalgalandırılmasına yol açar.

“Bunu bir akordion gibi hayal edebilirsiniz. Çekildiğinde, dalgalı malzeme şimdi düzleşir, bu da düz malzeme germekten çok daha az kuvvet gerektirir ve bu nedenle daha esnek hale gelir.”

– Joudi

Dalgaların oluşumu ve sonraki esneklik, Viyana Teknoloji Üniversitesi’nden teorik fizikçiler Florian Libisch ve Rika Saskia Windisch tarafından yürütülen simülasyonlar tarafından doğrulandı.

Çalışma, malzemenin elastik olarak deforme olmasına karşı direncinin 286’dan 158 N/m’ye düştüğünü gözlemledi. Azalma, “önemli ölçüde daha fazla” ve çoğu çalışmada öngörülenden ve sunulan bazı ölçümlerden daha fazla ve en az iki eksik atomla oluşan local gerilmeye neden olan kırışıklıklar nedeniyle.

Ekibin yaptığı deneyler ayrıca, “yüzey kirliliğinin çıkarılmamasının ters etkiyi ölçebileceğini” gösterdi.

Yabancı partiküller, malzeme yüzeyinde bu etkiyi baskılar ve hatta ters bir sonuç oluşturur. Özellikle, bu partiküllerin etkisi, grafenin daha da sert görünmesine neden olur ve bu, önceki deneylerin rapor ettiği çelişkileri açıklar. Joudi’ye göre:

“Bu, 2D malzemelerle uğraşırken ölçüm ortamının önemini gösterir. Sonuçlar, grafenin sertliğini düzenleme yolunu açar ve bu da potansiyel uygulamalar için yol açar.”

Grafenin Sınırlarını İleri Düzey Keşiflerle Genişletme

Giyilebilir teknoloji, on yılın sonuna kadar 150 milyar doları aşması beklenen bir endüstridir.

Akıllı saatler, yüzükler, gözlükler, bileklikler, akıllı dövmeler, mücevherler, tekstiller, bandajlar, yüz maskeleri ve gerçek zamanlı glikoz düzenleyicisi gibi giyilebilir cihazların temel bileşenlerinden biri olan sensörler, biyometrik verileri algılar, veri toplar ve vücut gereksinimlerine uyum sağlar.

Esnek, algılayıcı elektrikli cihazların hızlı gelişmesi, grafen tabanlı giyilebilir sensörlere yol açmıştır ve bunlar, sağlık hizmetlerini daha erişilebilir kılmak ve algılama faaliyetlerinin kalitesini artırmak için büyük potansiyele sahiptir.

Geleneksel yarı iletkenlerin tersine, esneklik ve optoelektronik özelliklere sahip olmayıp sınırlı olan ve mekanik gerilmelere maruz kaldığında performansında bozulma yaşayan metal ve malzeme kullanımının aksine, grafenin içkin özellikleri, düşük maliyetli ve çok fonksiyonlu giyilebilir cihazlar oluşturmak için son derece uygundur.

Son çalışma, bu cihazlardaki malzemenin harika yeteneklerini, özellikle de esneklikteki dramatik artışla gösterdi. Ancak bu, ilk kez değil; yıllar boyunca birçok çalışma, çeşitli nedenlerle grafenin giyilebilirlerdeki rolünü araştırdı ve hakkında birçok yeni keşif yaptı.

Grafeni temizlemenin ticarileştirilmesi için neden önemli olduğunu öğrenmek için tıklayın.

Grafen Tabanlı Giyilebilir Gerinme Sensörü

Geçen yıl, araştırmacılar geliştirdi² bir giyilebilir gerinme sensörü kullanarak grafen, sessiz konuşmayı algılayıp yayınlayabilen.

Araştırmacıların Cambridge Üniversitesi’nden “akıllı” bir boğazlık geliştirdiği çalışmada, boğazdaki mikro hareketler, gerinme sensörü tarafından elektrik sinyali olarak algılanır ve sonra konuşma tanıma için yazılım modellerine beslenir. Hatta sessizce telaffuz edilen kelimeleri bile algılayabilir ve yayınlayabilir.

Giyilebilir, özel bir yapıya sahiptir; grafen kaplı tekstiller üzerindeki düzenli ve derin çatlaklar, duyarlılığı önemli ölçüde artırır. Üstte yapılandırılmış grafen katmanı, entegre tekstil gerinme sensörüne uygulanmıştır.

Teknolojinin üretim yöntemi basittir, ölçeklenebilir, düşük maliyetlidir ve biyolojik olarak uyumludur. Cihaz, uzun süreli kullanıma adapte edilebilir ve 10.000’den fazla germeye-bırakma döngüsüne dayanabilirken, stabil ve güvenilir elektriksel işlevselliğini korur.

Boğaz mikro hareketlerine dinamik olarak yanıt vererek, konuşma sinyallerini bilgi açısından zengin bir şekilde yakalar, bunlar bir sinir ağı aracılığıyla işlenir ve konuşma çözme açısından %95,25’lik rekor bir doğruluk oranı sağlar.

Araştırmacılara göre cihaz, sessiz konuşma arayüzü (SSI) alanını, konuşma olmadan sözlü iletişim ermögleyen ileri teknoloji çözümler sunarak yeniden tanımlama potansiyeline sahiptir.

Grafeni İpek ile Birleştirmek için Esnek Elektronikler

Başka bir çalışmada, Enerji Bakanlığı’nın Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) araştırmacıları grafen üzerinde “fibroin” veya ipek protein parçacıklarından oluşan uniform 2D bir katman geliştirdiler.

İpek proteininin tasarımsal elektroniklerde kullanımı yeni değildir, ancak ipek liflerinin karışık bir demet olmasından dolayı sınırlıdır. İşte grafenin eklenmesinin nedeni.

İpek-üzeri-grafen, sağlık ve giyilebilir sensörler için duyarlı ve ayarlanabilir bir transistör oluşturmak için potansiyel olarak kullanılabilir. Ayrıca, bilgisayarların insan beyninin işleyişini taklit etmesine izin veren “memristor”larda kritik bir parça olarak görev yapabilir.

İpek, elektronik sinyallerini modüle etme yolu olarak çok araştırılmıştır, ancak kontrol sağlamak zor değildir. Bu nedenle, PNNL ekibi, Grafen-üzeri-İpek için su bazlı bir sistem oluşturdu ve bireysel ipek liflerini dikkatli bir şekilde ekledi, böylece yüksek derecede organize edilmiş bir 2D protein katmanı oluşturdu.

Bu, fonksiyonel elektronik bileşenler上的 kontrollü ipek katmanının ilk adımıdır ve gelecekteki araştırmalar, ipek entegre devrelerinin stabilitesini ve iletkenliğini geliştirmeye odaklanacaktır.

Grafen “Dövme” İmplant ile Kalp Atışını Düzenleme

Bu arada, Texas Üniversitesi (UT) ve Northwestern Üniversitesi’nden araştırmacılar grafeni kullanarak kalp atışlarını düzenlemek için bir kalp implantı geliştirdiler.

Bu tür bozukluklar, kalp çok yavaş veya çok hızlı atıyorsa ortaya çıkar ve birçok durumda, bu durum inme, kalp yetmezliği ve hatta aniden ölümle sonuçlanabilir. Arritmiyi tedavi etmek için doktorlar genellikle kalp atışlarını düzenlemek için elektriksel stimülasyon kullanan implante edilebilen kalp pili gibi cihazlar kullanır.

Bu cihazlar, vücutla mekanik olarak uyumlu olmayan ve kalbin yüzeyine sabitlenmesi zor olan sert malzemeler gerektirir. Bunlar, geçici rahatsızlık, yumuşak dokulara zarar, doğal hareketleri kısıtlama ve komplikasyonlara neden olabilir.

Bunların aksine, yeni biyolojik olarak uyumlu implant, bir grafen “dövme” benzeri bir görünüme sahiptir, ancak klasik bir kalp pili gibi çalışır.

Yeni, ince cihaz, kalp atışlarını hem algılamak hem de tedavi etmek için kalbe nazikçe uyum sağlar ve kalbin dinamik hareketlerine dayanıklıdır.

“Biyo-uygunluk nedenleriyle grafen özellikle çekici. Karbon, hayatın temelidir, bu nedenle already kullanılan bir malzemedir ve klinik uygulamalar için güvenlidir. Ayrıca esnek ve yumuşaktır, bu da elektronik ve yumuşak, mekanik olarak aktif bir organ arasındaki arayüze uygun olur.”

– Baş yazar Igor Efimov

Grafen dövmesini kapsüllemek ve kalbin yüzeyine yapışmasını sağlamak için, grafen, bir silikon esnek membran içinde kapsüllendi ve grafen elektrodu erişimi için bir delik bırakıldı. 10-mikron kalınlığında altın bant, grafen ve dış elektronikler arasındaki bağlantıyı sağlamak için kapsülleyici katmana yerleştirildi.

Cihazın toplam kalınlığı yaklaşık 100 mikron idi ve 60 gün boyunca stabil kaldı, bu da geçici kalp pili süresine eşdeğerdi.

Cihaz test edildi ve bir rat’a implante edildi, bu da düzensiz kalp ritimlerini başarılı bir şekilde algılayabildiğini ve ardından elektriksel stimülasyon sağlayabildiğini gösterdi.

Önemli olarak, teknoloji optik olarak şeffaftır, bu da araştırmacıların cihaz aracılığıyla kalp hastalıklarını tanımlamak ve tedavi etmek için dış optik ışık kaynağı kullanmasına olanak tanır ve bu da yeni fırsatlar sunar.

Hatta Eksik Grafen de Büyük Faydalar Sağlar

Kısa bir süre önce, Viyana Teknik Üniversitesi’nden araştırmacılar gerçekçi grafen yapıları için bir bilgisayar modeli geliştirdiler, bu da grafenin mükemmel elektronik özelliklerinin çok stabil olduğunu gösterdi.

Bu, grafenin mükemmel olmasa da parçalarının teknolojik uygulamalar için kullanılabileceği anlamına gelir.

Enstitü’den Profesör Florian Libisch, o zamanlar, elektronların malzeme içinde birçok farklı yol izleyebileceğini ve aynı anda birçok yolu takip edebileceğini, bu yolların farklı şekillerde birbirini iptal edebileceğini açıkladı.

Yollar, elektronların malzeme parçasından geçme olasılığının çok düşük olduğu ve elektrik akımının minimal olduğu belirli enerji değerlerinde birbirini iptal eder, bu da “yıkıcı girişim” olarak adlandırılır.

Belirli enerji değerlerinde akım akışındaki dramatik azalma, “teknolojik olarak çok arzu edilen bir etkidir” ve küçük ölçekte bilgi işleme için ve yeni kuantum sensörlerinin geliştirilmesi için kullanılabilir.

Ancak, grafen parçasının boyutu ve şekli her zaman aynı değildir. Diğer faktörler, istenmeyen atomlar, atomların oynaklığı ve birçok elektron arasındaki etkileşimler, hesaplamak için çok zordur ve grafeni gerçekten gerçekçi bir şekilde tanımlamak için dikkate alınmalıdır.

Araştırmacılar, malzemelerdeki çeşitli etkileri doğru bir şekilde tanımlama konusundaki yıllarca süren deneyimlerini birleştirerek, tüm ilgili hata kaynaklarını ve grafen’de bulunan pertürbasyon etkilerini içeren kapsamlı bir model geliştirdiler.

Bu, arzu edilen etkilerin hata kaynakları olduğunda bile görünür olduğunu göstermelerine olanak tanıdı.

Çalışma, grafende kuantum etkilerini kontrol edilen bir şekilde kullanma potansiyelini göstermek için önemli bir adımdır.

Grafeni Minyatür Manyetiklere Dönüştürme

Alman uzmanlar, manyetik anahtarlar ve depolama cihazları için grafenin potansiyelini gösteren malzemenin çeşitli özelliklerine başka bir yön daha eklediler.

Duisburg-Essen Üniversitesi’nden (UDE) araştırmacılar, deneyler gerçekleştirdi, burada grafen disklerine kısa terahertz (THz) darbeleri uyguladılar ve bunlar çok kısa bir süre için güçlü manyetikler haline geldi. Bu keşif, gelecekteki manyetik anahtarlar ve depolama cihazları için faydalı olabilir.

Bilim adamları, var olan yarı iletken yöntemlerini kullanarak mikrometre büyüklüğünde binlerce grafen diski küçük bir çipe yerleştirdiler ve daha sonra bunları terahertz darbelerine maruz bıraktılar.

Işık kaynağı olarak, HZDR’da ultra-yüksek terahertz darbeleri üretebilen bir FELBE serbest elektron lazeri kullandılar.

Mikrometre büyüklüğündeki grafen diskleri manyetik alanlar üreterek manyetik alanlar oluşturdu ve manyetik alanları 0.5 Tesla’ya kadar, Dünya’nın manyetik alanının 10.000 katına kadar çıkardı, ancak bu sadece 10 pikosaniye veya bir milyarda bir saniye sürdü.

Bu başarıyı elde etmek için, araştırmacılar terahertz darbelerini belirli bir şekilde polarize etmek zorunda kaldılar. Burada, özel optikler, radyasyonun osilasyon yönünü değiştirdi, böylece heliks şeklinde uzayda hareket etti.

Dairesel polarize edilmiş darbeler grafen disklerine çarptığında, serbest elektronlar daireler çizmeye başlar, bu da aslında grafen disklerini minyatür elektromanyetiklere dönüştürür.

Basit ve son derece verimli bir süreç, araştırmacılara göre, malzeme özelliklerini daha ayrıntılı bir şekilde anlamak için bilimsel deneyler için kullanılabilir.

Önemli olarak, manyetik alan tek kutupluydu, bu da belirli deneyler için faydalı olmasını sağlar.

Gelecekte, bu minyatür manyetikler, manyetik depolama teknolojisi ve spintronikte uygulama bulabilir.

Grafene Yatırım Yapmak

Grafen sektöründe öne çıkan bir şirket, CVD Equipment Corporation (CVV )‘dir. Şirket, yüksek kaliteli grafen üretimi için kritik bir teknik olan kimyasal buhar biriktirme sistemlerini tasarlar ve üretir. Endüstriler, özellikle elektronik ve malzeme bilimi alanlarında, grafen için gerçek dünya uygulamalarını keşfettikçe, CVD’nin bu alandaki uzmanlığı, talebin artmasıyla stratejik bir avantaj sağlayabilir.

CVD Equipment Corporation (CVV )

ABD merkezli CVD Equipment, kimyasal buhar biriktirme (CVD) sistemleri geliştirir ve üretir, bunlar advanced malzemelerin, özellikle grafenin ve enerji, havacılık ve diğer endüstrilerde kullanılan kaplamaların üretiminde kullanılır.

Ayrıca, yüksek kaliteli grafen üretimi için araştırma ve geliştirme ekipmanı ve özel üretim ekipmanı sunar.

Şirket, CVD Equipment ve Stainless Design Concepts (SDC) olarak iki segment altında faaliyet gösterir. İlk segment, fiziksel buhar taşıma, kimyasal buhar biriktirme ve termal işlem ekipmanlarının tasarımını ve üretimini içerir. İkinci segment, ultra yüksek saflıkta gaz ve kimyasal teslimat kontrol sistemlerine odaklanır.

CVD hissesinin piyasa performansı, yazarken 2,84 dolar seviyesinde ve yıl başından bu yana %34 düşüş gösteriyor. Buna karşılık, 20 milyon dolarlık bir piyasa değerine ulaştı ve (TTM) -0,28 EPS ve (TTM) -10,43 P/E oranına sahip.

Şirket finansallarına gelince, CVD, 2024 yılı için 26,9 milyon dolar gelir bildirdi, bu da %11,5’lik bir yıllık artışa karşılık geliyor. Bu, havacılık sözleşmelerindeki artış, SDC segmenti ve MesoScribe segmentinin 0,8 milyon dolarlık son satışlarından kaynaklanıyordu, bu segment geçen yıl faaliyetlerini sonlandırdı.

CVD Equipment’in brüt kar marjı %23,6’ya yükselerek 2024 yılında %2,6 puan arttı. Dönem için işletme zararı 2,4 milyon dolar, net zarar 1,9 milyon dolar veya hisse başına 0,28 dolar olarak gerçekleşti.

Geçen yıl, şirket ayrıca yeni siparişlerde %8,9’luk bir artış görerek 28,1 milyon dolarlık bir tutara ulaştı, yıl sonu backlog ise 19,4 milyon dolar olarak gerçekleşti.

“2024 yılında, havacılık ve savunma pazarındaki devam eden toparlanmayı görmeye devam ediyoruz” dedi CEO Manny Lakios, aynı zamanda silikon karbür pazarının “fazla kapasite ve küresel olarak wafer fiyatlarının düşmesi nedeniyle zor” olduğunu belirtti.

En Son CVD Equipment Corporation Haberleri

SONUÇ

Hafif, esnek, güçlü ve yüksek elektriksel iletkenliğe sahip olan grafen, enerji, elektronik ve sağlık sektörlerinde geniş çapta araştırılmış ve kullanılmıştır.

Yukarıda belirtildiği gibi, sessiz konuşma yakağı ve kalp izleme dövmeleri gibi birçok heyecan verici gelişme, grafen dünyasını sürekli olarak genişletmektedir. Şimdi, grafendeki akordion etkisinin keşfi, malzemenin giyilebilirlerle uyumlu olmasını sağlayan esneklik gibi bir başka özelliği ekliyor.

Üstün elektriksel, mekanik ve biyolojik olarak uyumlu özellikleriyle birlikte, grafen, bir sonraki nesil akıllı giyilebilir cihazları güçlendirme için son derece umut verici bir malzemedir.

Grafenin 6G internetinde nasıl kritik bir rol oynayacağını öğrenmek için tıklayın.

Referans Çalışmalar:

1. Joudi, W., Windisch, R. S., Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., & Kotakoski, J. (2025). Corrugation-dominated mechanical softening of defect-engineered graphene. Physical Review Letters, 134(16), 166102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.166102

2. Tang, C., Xu, M., Yi, W., Zhang, Y., Wang, J., Li, H., & Zhao, Y. (2024). Ultrasensitive textile strain sensors redefine wearable silent speech interfaces with high machine learning efficiency. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1