Grafenin Akordeon Etkisi Giyilebilir Teknolojinin Geleceğini Güçlendiriyor

Grafen sadece yaklaşık iki on yıl önce keşfedildi. Bu kadar kısa bir sürede, bu “mucize madde” elektronik ve yarı iletken teknolojisi, enerji depolama, termal yönetim, malzeme bilimi ve diğer endüstrilerde vazgeçilmez hâle geldi. 

Manchester Üniversitesi’nden Profesörler Kostya Novoselov ve Andre Geim’in 2004’te grafeni izole edip karakterize etmesinden beri, bu çalışmalar için 2010 Fizik Nobel Ödülü’nü almalarına rağmen, malzeme elektronik alanındaki en heyecan verici araştırma konularından biri olmaya devam ediyor.

Grafen, sadece tek bir karbon atomu tabakasından oluşan son derece ince bir yapraktan meydana gelen iki boyutlu (2D) bir malzemedir. Dikkate değer özellikler sergiler, bunlar arasında hafifliği, çok yüksek elektrik iletkenliği ve güçlü mekanik dayanıklılığı bulunur.

Şimdi, araştırmacılar benzersiz bir yöntemle grafenin yeni bir özelliğini keşfettiler.

Akordeon Etkisi: Grafeni Çok Esnek Hale Getirmek 

Viyana Üniversitesi’nden Jani Kotakoski liderliğindeki fizikçi ekibi, grafeni ilk kez bir akordeon gibi oynatarak önemli ölçüde daha esnek hâle getirdi. Bu yeni özellik, temiz ve havasız bir ölçüm ortamı sayesinde ortaya konuldu.

Grafende oluşan dalgalanmalar, onun esnek olmasını sağlar ve malzemelerin vücutla birlikte bükülüp hareket etmesi gereken, ancak güvenilir bir şekilde çalışması gereken giyilebilir cihazlarda kullanılmasının önünü açar.

Physical Review Letters dergisinde yayınlandı¹, çalışma Viyana Teknik Üniversitesi iş birliğiyle yürütülmüş ve Avusturya Bilim Fonundan (FWF) finanse edilmiştir.

Araştırmacı ekibi, grafenin aşırı sertliğinin, malzemedeki atomların bir bal peteği şekliyle düzenlenmesinden kaynaklandığını ve bu bağlamda bazı atomların ve bağlarının kaldırılmasının sertliği azalttığını ortaya koyan deneyler gerçekleştirdi.

Bilimsel çalışmalar aslında çelişkili bulgular raporlamış; hem hafif bir azalma hem de belirgin bir artış gözlemlenmiştir.

En son çalışma, aynı temiz ve havasız ortamı kullanan gelişmiş cihazlar sayesinde bunu çok net bir şekilde ortaya koydu. Katokoshi’ye göre:

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

Temiz, havasız ortam, örneklerin farklı cihazlar arasında taşınırken ortam havasına maruz kalmadan kalmasını sağlar.

“İlk kez bu tür bir deney, grafeni ortam havasından ve içindeki yabancı parçacıklardan tamamen izole ederek gerçekleştirdik. Bu ayrım olmadan, bu parçacıklar hızla yüzeye yerleşerek deney prosedürünü ve ölçümleri etkilerdi.”

– Çalışmanın birinci yazarı, Wael Joudi

Malzeme yüzeyinin temizliğine bu odaklanma, grafenin sertliğiyle ilişkili akordeon etkisinin ortaya çıkmasını sağladı.

Yan yana iki atomun çıkarılması bile başlangıçta düz olan malzemenin belirgin bir şişmesine neden olur. Bu şişliklerin birkaçı bir araya geldiğinde malzemenin dalgalanmasına yol açar.

“Bunu bir akordeon gibi hayal edebilirsiniz. Çekildiğinde dalgalı malzeme düzleşir, bu da düz malzemeyi germekten çok daha az kuvvet gerektirir ve böylece daha esnek hâle gelir.” 

– Joudi

Dalga oluşumu ve sonrasındaki esneklik, Viyana Teknik Üniversitesi’nden teorik fizikçiler Florian Libisch ve Rika Saskia Windisch tarafından yürütülen simülasyonlarla doğrulandı.

Çalışma, maddenin elastik olarak deformasyona karşı direncinin 286 N/m’den 158 N/m’ye düştüğünü rapor etti. Bu azalma, çoğu çalışmanın öngördüklerinden “önemli ölçüde daha büyük” ve sunulan bazı ölçümlere kıyasla da ters bir durum, çünkü en az iki atom eksik olan boşluklarda yerel gerilme nedeniyle oluşan kırışıklıklardan kaynaklanmaktadır.

Ekibin yürüttüğü deneyler, “defekt mühendisliği öncesinde yüzey kontaminasyonu temizlenmediğinde ters bir etkinin ölçülebileceğini” daha da gösterdi.

Dolayısıyla, malzeme yüzeyindeki yabancı parçacıklar bu etkiyi bastırır ve hatta ters bir sonuç üretir. Özellikle, bu parçacıkların etkisi grafeni daha da sert gösterir ve önceki deneylerin rapor ettiği çelişkileri açıklığa kavuşturur. Joudi’ye göre:

“Bu, 2D malzemelerle çalışırken ölçüm ortamının önemini gösteriyor. Sonuçlar, grafenin sertliğini düzenlemenin bir yolunu açıyor ve böylece potansiyel uygulamaların önünü açıyor.” 

Grafenin Sınırlarını Keskin Keşiflerle İtmek

Giyilebilir teknoloji, on yıl içinde 150 milyar doların üzerine çıkması öngörülen hızla büyüyen bir sektördür.

Akıllı saatler, yüzükler, gözlükler, bileklikler, akıllı dövmeler, takılar, tekstiller, pansumanlar, yüz maskeleri ve gerçek zamanlı glukoz düzenleyicileri gibi giyilebilir cihazların temel bileşeni sensörlerdir; bu sensörler biyometrik verileri algılar, verileri toplar ve ardından vücudun ihtiyaçlarına uyum sağlar.

Esnek, algılanabilir elektrikli cihazların hızlı gelişimi, sağlık hizmetlerini daha erişilebilir kılma ve algılama faaliyetlerinin kalitesini artırma potansiyeli taşıyan grafen tabanlı giyilebilir sensörlerin ortaya çıkmasını sağladı.

Geleneksel yarı iletkenler, sert ve sınırlı optoelektronik özelliklere sahipken, metaller pahalı, toksik ve mekanik stres altında performans kaybına uğrayabilir; grafenin doğal özellikleri, düşük maliyetli ve çok işlevli giyilebilir cihazlar inşa etmek için son derece uygun kılar.

En son çalışma, malzemenin bu cihazlardaki muazzam yeteneğini, esnekliğinin dramatik artışı sayesinde gösterdi. Ancak bu ilk kez değil; yıllar içinde birçok çalışma, grafenin giyilebilir cihazlardaki rolünü çeşitli nedenlerle araştırdı ve birçok yeni keşif yaptı.

Grafenin temizlenmesinin ticarileşme yolunu nasıl açtığını öğrenmek için buraya tıklayın.

Grafen Tabanlı Giyilebilir Gerinim Sensörü 

Geçen yıl, araştırmacılar geliştirdi² sessiz konuşmayı algılayıp yayınlayabilen bir grafen tabanlı giyilebilir gerinim sensörü.

Cambridge Üniversitesi’nden araştırmacılar tarafından geliştirilen ‘akıllı’ choker, boğazdaki mikroy hareketleri yakalar; bu hareketler gerinim sensörü tarafından elektrik sinyali olarak algılanır ve ardından işleme ve konuşma tanıma için yazılım modellerine beslenir. Sessizce söylenen kelimeleri bile yakalayarak yayınlayabilir.

Giyilebilir cihaz, grafen kaplı tekstillerde düzenli ve derin çatlaklar içeren benzersiz bir yapıya sahiptir; bu, duyarlılığı önemli ölçüde artırır. Üstteki yapılandırılmış grafen katmanı, entegre bir tekstil gerinim sensörüne uygulanmıştır.

Teknolojinin üretim yöntemi aynı zamanda basit, ölçeklenebilir, düşük maliyetli ve biyouyumlu. Cihaz, uzun süreli kullanıma uyumlu ve 10.000’den fazla gerinim-serbest bırakma döngüsüne dayanarak istikrarlı ve güvenilir elektriksel işlevselliğini korur.

Boğaz mikroy hareketlerine dinamik olarak yanıt vererek, bilgi açısından zengin konuşma sinyallerini yakalar; bu sinyaller bir sinir ağı üzerinden işlenir ve konuşma çözümlemesinde %95,25’lik rekor bir doğruluk elde eder.

Araştırmacıların belirttiğine göre, cihaz sessiz konuşma arayüzü (SSI) alanını yeniden tanımlama potansiyeline sahiptir; bu, ses üretmeden sözlü iletişimi mümkün kılan keskin çözümler içerir.

Grafeni İpek ile Birleştirerek Esnek Elektronikler

Başka bir çalışmada, Enerji Bakanlığı’nın Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı (PNNL) araştırmacıları, grafen üzerine “fibroin” adı verilen ipek proteini parçacıklarından oluşan tek tip bir 2D katman geliştirdi. 

Tasarım elektroniklerinde ipek proteini kullanımı yeni değildir, ancak ipek liflerinin karışık bir düğüm olması nedeniyle sınırlıdır. Bu yüzden grafen eklenmiştir.

İpek-üzerinde-grafen, sağlık ve giyilebilir sensörler için çok aranan hassas, ayarlanabilir bir transistör oluşturabilir. Ayrıca, sinir ağlarında kullanılan ve bilgisayarların insan beyni işlevini taklit etmesini sağlayan “memristörler”de kritik bir parça olabilir.

İpek, elektronik sinyalleri modüle etme konusunda çok araştırılmıştır, ancak kontrol sağlamak kolay değildir. Bu yüzden PNNL ekibi, su bazlı sisteme tek tek ipek liflerini ekleyerek, paralel β-yapraklarında paketlenmiş yüksek düzenli bir 2D protein katmanı oluşturmak için reaksiyon koşullarını dikkatle kontrol etti.

Bu, fonksiyonel elektronik bileşenlerde kontrollü ipek tabakalama konusunda sadece ilk adımdır; gelecekteki araştırmalar, ipek entegre devrelerin stabilitesi ve iletkenliğini artırmaya odaklanacak.

A Graphene ‘Tattoo’ Implant to Treat Irregular Heartbeats

Bu arada, Texas Üniversitesi Austin (UT) ve Northwestern Üniversitesi araştırmacıları geliştirdi kardiyak aritmiyi tedavi etmek için grafen kullanan ilk kalp implantı.

Bu tür bozukluklar, kalp çok yavaş ya da çok hızlı attığında ortaya çıkar ve çoğu durumda felç, kalp yetmezliği ve ani ölüm gibi sonuçlara yol açabilir. Aritmiyi tedavi etmek için doktorlar genellikle düzensiz kalp atışlarını algılayan ve ritmi düzeltmek için elektriksel uyarı veren implantablama pilleri kullanırlar.

Bu cihazlar, vücutla mekanik uyumlu olmayan sert, rijit malzemelere ihtiyaç duyar; bu nedenle kalp yüzeyine sabitlenmesi zordur. Geçici rahatsızlık, yumuşak doku hasarı, doğal hareketlerin kısıtlanması ve komplikasyonlara yol açabilir.

Bunların aksine, yeni biyouyumlu implant bir grafen “dövme” olarak oluşturulmuştur; görünüşü geçici dövme ile benzerdir. Tek bir saç teli kalınlığından daha incedir, ancak klasik bir kalp pili gibi çalışır.

Yeni ince cihaz, kalbe yumuşak bir şekilde tutunarak hem düzensiz kalp atışlarını algılar hem de tedavi eder. Esnekliği sayesinde kalbin hassas konturlarına uyum sağlar ve aynı zamanda bir atımın dinamik hareketlerine dayanacak kadar güçlüdür.

“Biyouyumluluk nedenleriyle grafen özellikle çekicidir. Karbon yaşamın temelidir, bu yüzden farklı klinik uygulamalarda zaten kullanılan güvenli bir malzemedir. Ayrıca esnek ve yumuşaktır, bu da elektronik ile yumuşak, mekanik olarak aktif bir organ arasındaki arayüz için iyi çalışır.”

– Kıdemli yazar Igor Efimov

Grafen dövmeyi kaplamak ve atım yapan kalbin yüzeyine yapışmasını sağlamak için, grafen bir silikon elastik membran içinde halkanın içinde kapsüllenmiştir; bu, grafen elektrotuna erişim sağlamak için bir delik içerir. 10 mikron kalınlığında altın bant daha sonra kapsülleme katmanının üzerine, grafen ile dış elektronik arasındaki bağlantı olarak yerleştirilmiştir.

Elde edilen toplam cihaz kalınlığı yaklaşık 100 mikrometre oldu ve geçici kalp pilleri süresiyle karşılaştırılabilir şekilde 60 gün boyunca stabil kaldı.

Cihazı test etmek için, araştırmacılar fareye implante etti ve cihazın düzensiz kalp ritimlerini başarılı bir şekilde algılayıp, kalbin doğal hareketlerini etkilemeden bir dizi darbe ile elektriksel uyarı sağladığını buldular.

Özellikle, teknoloji optik olarak şeffaftır; bu sayede araştırmacılar cihaz üzerinden optik ışık kaynağı kullanarak kalbi kaydedebilir ve uyarabilir. Bu, kalp hastalıklarını tanımlamak ve tedavi etmek için yeni bir yaklaşım sunar ve optogenetik için yeni fırsatlar yaratır.

Even Imperfect Graphene Has Big Benefits

İki yıldan az bir süre önce, Viyana Teknik Üniversitesi araştırmacıları gerçekçi grafen yapıları için bir bilgisayar modeli geliştirdi, bu model grafenin mükemmel elektronik özelliklerinin çok istikrarlı olduğunu gösterdi. Bu, mükemmel olmayan grafen parçalarının bile teknolojik uygulamalarda kullanılabileceği anlamına gelir.

Dolayısıyla, grafenin elektrik akımı yayılımı, çok küçük bir parça üzerinde atomik ölçekte hesaplanır. TU Wien’den Prof. Florian Libisch, o zamanlar elektronların malzeme içinde birkaç farklı yoldan hareket edebildiğini ve aynı anda birden fazla yol alarak farklı şekillerde çakışabildiğini açıkladı.

Bu yollar, çok belirli enerji değerlerinde birbirini yok eder; bu değerlerde elektronların grafen parçasından geçme olasılığı son derece düşüktür ve elektrik akımı minimuma iner; bu durum “yıkıcı girişim” olarak adlandırılır.

Çok belirli enerji değerlerinde akım akışındaki dramatik azalma, “teknolojik olarak son derece arzu edilen bir etki” olup, bilgisayar çiplerinde elektronik bileşenlerin yaptığı gibi bilgi işlemek ve yeni kuantum sensörleri geliştirmek için kullanılabilir.

Ancak bu kadar basit değildir; grafen parçasının boyutu ve şekli her zaman aynı değildir. İstenmeyen atomlar, atomların titreşimi ve birkaç elektron arasındaki çok sayıda etkileşim gibi diğer faktörler, çok zor hesaplanan bu etkileşimler, “grafen malzemesini gerçekten gerçekçi bir şekilde tanımlamak” için dikkate alınmalıdır.

Bu nedenle, araştırmacılar yılların deneyimini birleştirerek, malzemedeki tüm ilgili hata kaynaklarını ve bozulma etkilerini içeren kapsamlı bir model geliştirdiler. Bu, istenen etkilerin hata kaynakları mevcut olsa bile görülebilir olduğunu gösterdi.

Çalışma, grafende kuantum etkilerini kontrollü bir şekilde kullanma potansiyelini göstermede önemli bir adım olmuştur.

Turning Graphene Into Tiny Magnets

Tüm bunların ortasında, Alman uzmanları grafenin çeşitli özelliklerine bir başka yön ekleyerek, malzemenin manyetik anahtarlar ve depolama cihazları için potansiyelini gösterdi.

Duisburg-Essen Üniversitesi (UDE) araştırmacıları deneyler gerçekleştirdi Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)’de, kısa terahertz (THz) darbeleriyle malzemenin minik disklerine ateş ederek onları çok güçlü manyetikler hâline getirdi. Bu keşif, gelecekteki manyetik anahtarlar ve depolama cihazları geliştirilmesinde faydalı olabilir.

Bilim insanlarının burada yaptığı, mevcut yarı iletken yöntemlerini kullanarak mikrometre (μm) boyutunda binlerce grafen diski küçük bir çipe yerleştirmek ve ardından bu çipi kısa terahertz darbelerine maruz bırakmaktı; bu radyasyon mikrodalga ve kızılötesi arasındaki bir aralıktır.

Işık kaynağı olarak, HZDR’de ultra yoğun terahertz darbeleri üretebilen bir FELBE serbest elektron lazerini kullandılar.

Mikrometre boyutundaki grafen disklerinin elektromıknatıs hâline gelmesinin yanı sıra, ekip 0.5 Tesla (Dünya manyetik alanının yaklaşık 10.000 katı) büyüklüğünde manyetik alanlar üretti; bu alanlar sadece on pikosaniye ya da bir milyarıncı saniyenin yüzde biri kadar sürdü.

Bu başarıyı elde etmek için araştırmacıların terahertz ışınımını belirli bir şekilde kutuplandırması gerekiyordu. Burada, özel optikler ışınımın salınım yönünü değiştirerek ışığın uzayda helikal hareket etmesini sağladı.

Dairesel kutuplu ışınlar minik diskleri vurduğunda, içlerindeki serbest elektronlar dönmeye başlar; bu da diskleri küçük elektromıknatıs hâline getirir.

Araştırmacıların belirttiğine göre, bu basit ve son derece verimli süreç, malzeme özelliklerinin daha ayrıntılı anlaşılması için bilimsel deneylerde kullanılabilir. Özellikle manyetik alan tek kutuplu kalmış, bu da belirli deneyler için faydalı.

Gelecekte, bu minik manyetikler manyetik depolama teknolojisi ve spintronik alanında bile kullanılabilir.

Grafene Yatırım

Grafen sektöründe öne çıkan bir şirket CVD Equipment Corporation (CVV )‘dır. Şirket, yüksek kaliteli grafen üretimi için temel bir teknik olan kimyasal buhar biriktirme (CVD) sistemlerini tasarlar ve üretir. Endüstriler grafenin özellikle elektronik ve malzeme biliminde gerçek dünya uygulamalarını keşfetmeye devam ettikçe, CVD’nin niş odaklanması talep arttıkça stratejik bir avantaj sağlayabilir.

CVD Equipment Corporation (CVV )

ABD merkezli CVD Equipment, grafen gibi ileri malzemeler ve enerji, uzay ve diğer endüstrilerde kullanılan kaplamalar üretmek için kimyasal buhar biriktirme (CVD) sistemleri geliştirir.

Ayrıca, ölçekli yüksek kaliteli grafen üretmek için grafen Ar-Ge ve özel üretim ekipmanları sunar.

Şirket iki segment üzerinden faaliyet gösterir. Birincisi, fiziksel buhar taşıma, kimyasal buhar biriktirme ve termal işlem ekipmanlarını tasarlayan ve üreten CVD Equipment’tir. İkincisi ise ultra yüksek saflıkta gaz ve kimyasal dağıtım kontrol sistemlerine odaklanan Stainless Design Concepts (SDC)’dir.

CVD hissesinin piyasa performansına gelince, yazı itibarıyla hisse $2.84 seviyesinde, YTD %34 düşüşte. Bu, $20 milyon piyasa değerine ulaşmasını sağladı; EPS (TTM) -0.28 ve P/E (TTM) -10.43.

Şirket finansallarına gelince, CVD 2024 tam yılı için $26.9 milyon gelir bildirdi; bu, %11.5 yıllık artış. Bu artış, devam eden uzay sözleşmelerinden, SDC segmentinden ve geçen yıl faaliyetlerini kapatan MesoScribe segmentinin $0.8 milyon final satışından kaynaklandı.

CVD Equipment’in brüt kar marjı yüzde 2.6 artarak 2024’te %23.6’ya yükseldi. Dönem için işletme zararı $2.4 milyon, net zarar ise $1.9 milyon, yani hisse başına $0.28 temel ve seyreltilmiş.

Geçen yıl, şirket yeni sipariş rezervasyonlarında %8.9 artış gördü; bu, $28.1 milyon seviyesine ulaştı ve yıl sonundaki birikmiş sipariş $19.4 milyon oldu.

“2024 boyunca uzay ve savunma pazarımızda devam eden bir iyileşme gördük,” dedi CEO Manny Lakios; aynı zamanda silikon karbür pazarının “kapasite fazlası ve küresel wafer fiyatlarındaki düşüş nedeniyle zorlayıcı” olduğunu belirtti.

Latest on CVD Equipment Corporation

Conclusion

Hafif, esnek, dayanıklı ve yüksek elektrik iletkenliğe sahip olmasıyla bilinen grafen, enerji, elektronik ve sağlık sektörlerinde uygulamalar için kapsamlı bir şekilde araştırılmış ve kullanılmıştır.

Yukarıda belirttiğimiz gibi, sessiz konuşma choker’ları ve kalp izleme dövmeleri gibi birçok heyecan verici gelişme grafenin dünyasını sürekli genişletiyor. Şimdi, grafende akordeon etkisinin keşfi, bir başka özelliği daha ekliyor: artırılmış esneklik; bu da mucize malzemenin giyilebilir cihazlarla uyumluluğunu gösteriyor.

Üstün elektrik, mekanik ve biyouyumlu özellikleriyle birleştiğinde, grafen bir sonraki nesil akıllı giyilebilir cihazları güçlendirmek için son derece umut vaat eden bir malzemedir!

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

Referans Alınan Çalışmalar:

1. Joudi, W., Windisch, R. S., Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., & Kotakoski, J. (2025). Defekt mühendisliğiyle tasarlanan grafenin kırışıklık-dominant mekanik yumuşaması. 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). Ultra hassas tekstil gerinim sensörleri, yüksek makine öğrenimi verimliliğiyle giyilebilir sessiz konuşma arayüzlerini yeniden tanımlıyor. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1