Süperiletken Grafen Elektronikte 5 Devrim Yapacak

Mucize materyel grafenle nasıl oda sıcaklığında süperiletkenler, plastik kaslı androitler ve mini süper bilgisayarlar üreteceğiz? Nesnelerin internetinde grafen devrimi başlıyor. Tek atom kalınlığındaki ince karbon kafes örgüsünden oluşan grafen insanlığın bildiği en sert maddedir. Grafeni genellikle kurşunkalem ucundaki grafiti tek atom kalınlığına dek soyarak üretiriz. Böylece karbon atomlarının birbirine altıgen şeklinde bağlanmasıyla oluşan grafen kafesi ortaya çıkar.

Üstelik karbon atomlarının dizilişini değiştirerek grafeni elektriği direnç göstermeden üreten süperiletken veya yalıtkan yapabilirsiniz. Grafen yalnızca çok az elektrik tüketerek çok hızlı çalışan bilgisayar, tablet ve telefonların önünü açmayacak. Aynı zamanda oda sıcaklığına yakın sıcaklıklarda çalışan süperiletkenler geliştirmeyi de sağlayacak. Elektronikte devrim yapacak olan 5 yeni grafen teknolojisini görelim.

Grafen elektronikte neden önemli?

Modern dünya elektroniğe dayanır. Teknolojik ürünlerin büyük kısmı ya elektrikli veya elektronik aygıtlardır ya da bu ürünleri elektronik cihazlarla üretiriz. Düğmeye basınca lambayı yakan elektrik şebekesinden tutun da otomobil ve telefonlara kadar her şey elektroniktir. Üstelik cihazları metrenin milyarda 5’i ve 10’u gibi çok küçük elektronik parçalardan imal ederiz. Kısacası elektronik artık nanoteknolojidir. Yine de elektroniğin son 150 yılda dayandığı temelleri vardır. Bunlar:

• Pil ve akü gibi bir voltaj kaynağı.
• Dirençler (resistör)
• Sığaçlar (kapasitör)
• Ve irgiteçlerdir (endüktör)

Son 50 yılda bunlara geçirgeçler (transistorlar) eklenmiştir. Nitekim geçirgeçler elektronik devrelerde küçülmeyi başlattı. Örneğin akıllı telefonları, arasında sadece 7 nanometre boşluk olacak şekilde basılmış yüz milyonlarca geçirgeç telinden oluşan çok küçük işlemcilere borçluyuz. İşte mucize materyel grafen bu 5 alanda kullanılacak ve devrim yapacak. Nitekim elektronikte ilk devrim grafenin icadıdır.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

1. Grafen nedir ve nasıl çalışır?

Dünya’daki en sert doğal malzeme elmastır ama en sert yapay malzeme grafendir. Grafen elmastan sert olan 6 madde içinde en sert olanıdır. Ayrıca ta 10 yıl önce yazdığım gibi grafenin keşfi 2004’teki bir laboratuar kazasına uzanır. Burada elektronik mühendislerinin yapısal mühendisler ve kuantum kimya mühendisleriyle çalıştığı bir durum var. Grafen bir element değil, malzemedir ve karbon atomlarının tek atom kalınlığındaki altıgen ilmekli bir örgü oluşturmasıyla meydana gelir. Bütün o sıra dışı özelliklerini de bu diziliş kazandırır. Grafeni yanlışlıkla bulan Andre Geim ve Kostya Novoselov’un sadece 6 yıl sonra, 2010’da Nobel fizik ödülü alması onun önemini gösterir.

Karşılaştırma açısından Roger Penrose, kara deliklerin nasıl mümkün olduğunu gösteren teoriyi yazdıktan 60 yıl sonra Nobel ödülünü kazanmıştır. Şansımıza yaşıyor ve hâlâ kozmolojinin en çılgın teorilerini üretmeye devam ediyor… Malzeme bilimcilerin bildiği gibi grafenin asıl önemi, sert olmanın yanı sıra fiziksel olarak da çok dirençli olmasıdır. Ben de sertlik, bükülme ve gerilim direnci arasındaki farkı Titanic Enkazı 20 Yılda Nasıl Yok Olacak yazısında anlattım. Tabii grafen yüksek ısıya ve hatta asitler gibi kimyasal etkilere karşı da son derece dayanıklıdır. Belki Crysis’teki nano-giysiyi grafenden yaparız.

Karbon tabanlı elektronik

Bütün bu özelliklerini de tek atom kalınlığındaki altıgen kafes örgüsüne borçludur. Karbon atomları zaten aynı anda 60 atoma birden bağlanmak gibi müthiş bir şöhrete sahiptir. Merak edenler bizzat yaşamın neden karbon tabanlı olduğuna bakabilir. Grafen kafes örgüsü atomların elektronlarını paylaşarak çok esnek ve sağlam altıgen halkalar oluşturmasını sağlar. Sizin anlayacağınız grafen örgüsü Yüzüklerin Efendisi’ndeki mitril zincir örgü zırh gibi süper sağlam bir şeydir. Oysa elektronik mühendisleri grafenin iletkenliğinin yanı sıra yalıtkanlığıyla da çok ilgilenir:

İlgili yazı: Kozmik Enflasyonda Evrenimizin Kopyaları var mı?

 

Hem yalıtkan hem iletken grafen

Bu da elektronik devrelerin silikon yerine grafenden yapılmasına izin verir. Şimdi dikkat! PC’lerin işlemcilerini süperiletken veya en azından daha iyi iletken grafenden yaptınız diyelim. Bir de yalıtkan kısımları da grafenden yaparsanız işlemci küçültmekte müthiş adımlar atarsınız. Potansiyel olarak molekül boyunda işlemciler yaparsınız. Hem de karbon atomlarının sıkı kimyasal bağları yüzünden elektronlar sağa sola kuantum tünellemeyle sıçramaz. Böylece ısınma problemleri yaşamadan işlemcileri neredeyse atom boyuna indirirsiniz.

Hatta 2004’ten beri yazdığım spintronik, yani elektrikle değil de elektron spinini değiştirerek, yani manyetizmayla çalışan bilgisayar teknolojisi en sonunda mümkün olur. Böylece bilgisayarların depolama alanını hem işlemci hem RAM hem de şey… depolama olarak kullanırsınız. Bilgisayarların verisi elektrik kesilince silinmez. “Ayy! Dosyayı kaydetmeyi unuttum!” gibi dertleriniz olmaz. Bütün bunlar grafenin potansiyeli ama şimdiden bazı başarılar elde ettik.

MIT ve Harvard araştırmacıları 3 yıl önce grafen yapraklarını birbiriyle sadece 1,1 derece açı yapacak şekilde üst üste koydukları zaman, yaprakların birinin iletken ve diğerinin yalıtkan olarak çalıştığını buldular! Bundan yola çıkarak dirençlerin hem iletken hem yalıtkan olarak çalıştığını, üstelik çalışma oranını (yüzdesini) dinamik olarak ayarladığınızı düşünün. Bu ileride T-1000 gibi şekil değiştiren robotlar (sıvı metal) üretmeyi de sağlar fakat kuantum kimya için şimdilik bu kadar spekülasyon yeter. Ne de olsa T-1000 gelene kadar bizi grafenli başka gelişmeler bekliyor:

En insani androitler

Grafeni alıp plastiğe katarsanız müthiş yalıtkan özellikler kazanır. Böylece çelik gibi sert ama plastik kadar esnek olur. Üstelik fırın sıcağında bile erimeden ve hemen iç ısınmadan elektrik iletir. Şimdi androitleri düşünün. Bunları plastikten kas lifleriyle donatırsanız ne olur? İskelet, kas, eklemler ve bağ dokular gibi tüm detaylarda insana benzeyen robot yaparsınız. Hem de bunlar iki el büyüklüğünde bir pille bütün gün çalışacak kadar az elektrik tüketir. Bunun dışında grafen yüzde 98 oranında saydamdır. Böylece Samsung’un bir ara denediği gibi, pencereye takılan saydam güneş panelleri üretebilirsiniz. Bunun için OLED benzeri ince bir grafen fil üretmeniz yeterlidir.

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

2. Yüzeye takılı dirençler

Grafenin yapacağı 5 devrimde artık eskiyi yenilemeye geliyoruz. Örneğin dirençler bütün devre kartlarının üstünde vardır. Bunlar genellikle kare veya dikdörtgen olup seramikten üretilir ama karşı kenarları iletkendir. Seramik dirençler elektriğe direnç gösterirken eski model ve toksik eksenel kurşunlu dirençler kadar ısınmaz. Bu yüzden devrede güç kaybını azaltarak enerji tasarrufu yapar. Küçük dirençler elektronikte çok avantajlıdır.

• Devre kartını küçültür.
• Sağlamdır.
• Güç kaybını azaltır.
• Sığa ve irgitimde kararlılık sağlar.

Öncelikle dizüstü bilgisayarları, tablet ve akıllı telefonların üretimini kolaylaştırmıştır. Bunları grafenden üretirseniz daha da küçük yapabilirsiniz. Böylece dirençleri ve cihazı küçültmek veya aynı boyda daha yüksek güçle verimli çalışmak gibi artılarınız olur. Gelelim 3. grafen devrimine:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

3. Süper sığaçlar

Sığaçlar ta ampullü elektroniğe uzanır. O kadar eski bir teknolojidir ki sığaçları genellikle iki iletken yüzeyden yaparız. Bunlar da plaka, silindir ve hatta küresel kabuk şekilli olabilir. Sığaç yüzleri arasında az boşluk vardır ve bunlar eş sığada zıt yükler taşır. Bir yüzey pozitifken diğeri negatif yüklüdür. Sığaçtan elektrik geçirirseniz yükü artar. Elektriği keser veya iki yarısını değdirirsiniz elektriği boşaltır. Peki bunlar ne işe yarar? Lityum–iyon pil gibi elektrik depolarsınız ve render alan bir işlemcide olduğu gibi ani ihtiyaçlarda elektriği kısa sürede boşaltırsınız.

Sığaçlar özellikle piyezoelektrik materyallerde işe yarar. Bunlar basınç ve hareketle elektrik üreten sistemlerdir. Mesela yolda yürürken ayaklarınızın baskısıyla elektrik üreten yol kaplamalarına imkan tanır. Bu tür basınç levhalarını çevre güvenliğinde kullanabilirsiniz. Örneğin müzeye gizlice giren biri taşa basınca piyezoelektrik devre hemen güvenliği uyaran bir elektrik sinyali üretir. Kalsiyum–bakır–titanat (CCTO) gibi malzemeler ise çok küçük boyutlu sığaçların çok fazla elektrik depolamasını sağlar. Bu da başlıktaki süper sığaçların önünü açar. Bunlar bozulana dek 100 kat fazla enerjiyi hızla depolayıp boşaltabilir. Minyatür elektronikte oyunun kurallarını değiştirirler ama 4. grafen devrimine gelirsek:

İlgili yazı: Gücü Kullan!

 

4. Süper irgiteçler

90’lardan itibaren elektronikte devrim yapan büyük üçlünün son üyesi süper irgiteçlerdir. Bunlar 2018’de ortaya çıktı ama irgiteç nedir derseniz… Tel sargı (bobin) elektrik akımı ve mıknatıslanan bir çekirdek düşünün. İrgiteçlerde üçünü bir arada kullanırız ki bunlar içindeki manyetik alanı değiştirir. Mesela içinden elektrik geçirseniz buna bir süre direnir, sonra da elektrik akımını gayet güzel iletir ve elektriği kestiğinizde yine direnç yaparlar. Oysa bunlar küçülmeye belki de en uygunsuz parçalardır.

Neden derseniz irgitim değeri yüzey alanıyla orantılıdır. İrgiteç küçüldükçe, yani yüzeyi küçüldükçe irgitim değeri azalır. Diğer saydıklarımda teknolojiye takla attırarak iyileşme sağlarsınız. Oysa ilk bakışta irgiteçleri ancak yepyeni malzemelerle üretince küçültebilirsiniz. Neyse ki manyetik irgitimin yanı sıra kinetik irgitim de var. Bu durumda elektrik taşıyan parçacıkların eylemsizliği (ataleti) parçacıkların hareket (akış) yönünü değiştirmeye direnmesini sağlar. Örneğin elektronlar yön değiştirmeye direnir.

Öyle ki elektronlar hızlanmak veya yön değiştirmek için birbirini itmek zorundadır. İşte elektrik akımının böyle direnç göstermesi kinetik irgitim yaratır. Kaustav Banerjee yönetimindeki Nanolectronics Lab şirketi artık irgiteçleri de grafenden yapıyor. Böylece süper irgiteç prototiplerini test ediyor. Biz de buraya dek hem temel elektronik öğrendik hem de grafenin gerçek yararlarını sıraladık. Böylelikle medyada sık çıkan grafen devrim yapacak söylemini de temellendirdik. Tamam, devrim yapacak ama nasıl yapacak sorusunu yanıtladık. Oysa beşinci ve şimdilik son devrimin yanında ilk dördü basit kalır:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

5. Nesnelerin elektroniği

Nasıl ki nesnelerin interneti yakın gelecekte yara bandı benzeri basit bir yapışkan etiketle 100 yıllık bir antika masayı bile akıllı cihaza dönüştürecek, grafen sayesinde de birçok malzemeye elektronik özellikler katacağız. Şöyle düşünün: E-etiketleri alıyor ve masaya yapıştırıyorsunuz. Bunlar mini güneş enerjisi hücresi, wi-fi anteni gibi donanımlarla masayla veri alışverişi yapmayı sağlıyor. Etiketi yapıştırdığınız her şeyi sensörlerle internete bağlıyor. Oysa grafeni birçok üretim malzemesine neredeyse kek hamuruna karbonat katar gibi eklemek, en azından ara film katmanı olarak eklemek mümkün olacak. Böylece elektronik ahşaptan masif ceviz mobilyaları bile “akıllandırabileceksiniz”.

Grafen lifleri ileride kaslarımızın arasına yerleştirerek insan bedenine üstün güç ve refleks kazandırmak mümkün olacak. Bunun için Star Wars’daki gibi robot kol, bacak takmaya gerek kalmayacak. Bütün bunlar iyi hoş da niye şimdi yapmıyoruz hocam derseniz haklısınız. Grafende ve hatta kullanım teknolojisinde sorun yok ama grafeni seri üretmek çok zor. Bunun için klasik üretim tekniklerine bakalım. Örneğin grafiti alır, okside eder (yakar), suda çözer ve ardından kimyasal buhar tortusu birikimiyle grafen üretirsiniz. Oysa grafen tortulları ancak az sayıda madde üzerinde birikebilir.

Elbette

…Grafen oksidi kimyasal olarak indirgeyebilirsiniz. Oysa bu şekilde imal ettiğiniz grafen çok düşük kaliteli olur. Grafiti soğan kabuğu gibi kat kat soyarsınız ama bu sefer de malzeme kalınlığını ayarlayamazsınız. İşte grafen devrimiyle aramızdaki tek engel budur. Henüz elimizde ucuz seri üretim teknolojisi yok. Bu yüzden 2004’ten beri grafen konuşuyor ama sıradan PC elektroniği kullanmaya devam ediyoruz. PC’lerin yapısal olarak 40 yıl önceki PC’lerden pek farkı yok. Aynı teknolojinin güzellemeleri bunlar ama grafen elektronikten spintroniğe geçiş yapmaya izin verecektir. Öyleyse yazının son kısmında gelecek vaat eden üretim tekniklerin görelim:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

 

Lazer kazımalı grafen üretimi

Bu tekniğin iki türü var ki birinde yine grafen oksitle çalışıyorsunuz. Öte yandan grafeni kimyasal olarak indirgemek yerine lazerle indirgiyorsunuz. Lazerin nokta atışı yapan ve ince ayar yapmaya izin veren ısısı VE radyasyon (ışık) basıncı vardır. Bu da grafen atomlarını neredeyse tek tek dizmeye izin verir. Böylece çok kaliteli grafen kafesleri yaparsınız. İkinci lazer tekniğinde ise yüksek ısıya dayanıklı plastikleri (polyamidler) alır ve içine lazerle doğrudan grafen işlersiniz. Bu durumda poliyamid atomik kek kalıbı işlevi görür. Peki bu ne demektir?

Lazer, plastiği yakarken içindeki grafen atomları açılan boşluklara uyarak organize olur. Bu sayede poliyamide atomik ölçekte şekil verebilirsiniz. Böylece istenen kalite ve büyüklükte grafen örgüleri seri üretirsiniz. Bu ne işe yarar derseniz… Gerilim algılama, Covid-19 tanısı koyma, ter analizi; kardiyo çekmek, beyin ve sinir elektrosu çekmek… Bütün bunlar için gereken çipleri grafenden üretmek mümkündür. Yine de asıl devrim enerji depolama alanında olacaktır.

Sonuçta termodinamik yasalarına uygun bir evrende yaşıyoruz. Güneş enerjisinin yaygınlaşmasının önündeki en büyük sorun da enerji depolama sınırlamasıdır. Grafen ise süper piller üretmeyi sağlar. Mesela telefonun ekranı maksimum parlaklıktayken pilin bir ay dayanmasını sağlar… Bu sayede güneş enerjisi doğal gazla rekabet edecek seviyeye gelir. Yeni nükleer santral teknolojisini bile geride bırakarak ucuz ve temiz enerjiyi en sonunda yaygınlaştırır.  Buna daha net örnek vereyim:

Grafen için devrimsel uygulamalar

Eskiden büyükbabalarımızın (benim gibi 46 yaşına bugün girer biri için babalarımızın) kendinden kurmalı kol saatleri vardı. Kol oynadıkça saat zembereği kendini kurardı. Oysa grafenle tribolektrik nano-üreteçler, yani mikroskobik veya tırnak boyundaki elektrik jeneratörleri üretebilirsiniz. Belki hidrojen yakıt hücreleri bile küçülür. Böylece Terminator’u 100 yıl çalıştıran güç kaynağı gerçek olur. Gelecekte vücutta gezinecek mikroskobik robotların pili bitmez. Esnek kumaştan biyoyakıt ve hidrojen yakıt hücreleri yaparız. Giysilerimizin kendisi elektrik jeneratörü olur veya kumaşı üstür organik fotovoltaik hücrelerle kaplarız ve ceketiniz kış güneşinde bile telefon şarj eden elektrik üretir.

İlgili yazı:  Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Grafen için sonsöz?

Lazer kazımalı grafeni şimdiye dek hiç görülmemiş sensörler üretmekte kullanacağız. Buna nesnelerdeki mekanik ve fiziksel değişimleri algılayan fiziksel sensörler ve elektriksel özelliklerin değişimini gören elektronik sensörler dahildir. (Direnç ve çeli (empedans) gibi). Hatta sığa ve irgitim sensörleri bile geliştirebiliriz. Bunun dışında gazlar ve nem oranındaki değişiklikleri görecek sensörler vardır. Böylece vücudunuza girecek kum tanesi boyunda bir sensör yaşam sinyallerinizi alacaktır. Kalp ritmini, su içmeniz gerekip gerekmediğini, kan basıncını ve hatta dopamini ölçecektir.

Hani Uzay Yolu’nda ortam verisini alan tricorderlar var ya, işte onların modası icat etmeden geçecektir. Hastanede tam kapsamlı muayene olmak yerine, omzunuza yapıştıracağınız küçük bir yara bandı gerçek zamanlı olarak sizi muayene edecektir. 7/24! İşte bu teknolojiye nesnelerin veya etiketlerin elektroniği diyebiliriz. Özellikle de Harvard araştırmacılarının daha 10 yıl önce 3 kat grafenle yüksek sıcaklıkta çalışan süperiletken yaptığını düşünürsek gelecek geldi bile deriz.

Siz de güneş enerjili yollar ve elektrikli araçları şarj eden akıllı otoyollara şimdi bakabilirsiniz. Temiz enerji için toryum reaktörü ve nükleer füzyon reaktörü nasıl çalışır diye sorabilirsiniz. Hibrit araçlar için grafen yakıt pilini ve uzaydan güneş enerjisi ışınlama teknolojilerini inceleyebilirsiniz. Hızınızı alamayarak Güneş Rüzgarından 1000 Yottawatt Enerji Üreten Uyduya da bakabilirsiniz. Kendinizi cesur hissediyorsanız Mini Neptünlerdeki Süperiyonik Siyah Buza ve kendi kendine bardaktan taşan süper sıvılara da göz atabilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Tek kutuplu mıknatıslar var mı?

¹Electric field–tunable superconductivity in alternating-twist magic-angle trilayer graphene
²Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices
On-chip intercalated-graphene inductors for next-generation radio frequency electronics