Etiket arşivi: grafen

Süperiletken Grafen Elektronikte 5 Devrim Yapacak

Süperiletken-grafen-elektronikte-5-devrim-yapacakMucize 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

DNA ile Bilgisayar Montajı >> Mühendisler canlı DNA ile dünyanın en küçük ve hızlı organik devrelerini üretecek

Bugüne dek DNA’dan üretilen organik bilgisayarlar görmüş ve bilim adamlarının DNA’ya veri depoladığına tanık olmuştuk. Ancak canlıların temel genetik malzemesi olan DNA’nın yarıiletken devre montajında kullanılacağını ilk kez duyuyoruz. Amaç bugünkü silikon devrelerden çok daha küçük ve hızlı devreler üretmek.

Stanford Üniversitesi’nden Kimya Profesörü Zhenan Bao ve ekibi,  insan hücrelerinde protein sentezi yapan “mitokondri” organcığından esinlenerek çipset üretiminde DNA kullanmayı planlıyor. DNA sentezine benzeyen bir teknikle “grafenden” üretilen devreler az enerji harcayarak yüksek performans sağlayacak.

 

DNA sarmalının hücre bölünmesi sırasında ikiye ayrılması gibi üretilen ve sadece tek bir atom kalınlığında olan “grafen şeritler”, elektronik devre kartlarının üstüne saç teli gibi yan yana döşenecek. Metrenin 100 milyonda biri boyundaki grafen transistorlar elektrik harcamalarını önemli ölçüde azaltacak.

Dünyanın insan icadı en hafif materyali aerojele temel olan grafen tıpkı elmas, kurşun kalemlerde kullanılan grafit ve nanoteknoloji harikası karbon nanotüpler gibi kristal yapılı karbon atomlarından oluşuyor. Bal peteğine benzeyen mikroskobik altıgen şekillerden meydana gelen tüyden hafif grafen, “enerji bant aralığı özelliği” sayesinde endüstride verimli bir yarıiletken olarak kabul ediliyor.

 

 

Organik süper bilgisayarlara ilk adım

Stanford Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümünde araştırmalarını sürdüren ve silikon devrelerden çok daha hızlı ve küçük bilgisayar çipleri geliştirmeyi amaçlayan Profesör Zhenan Bao, DNA yardımıyla yüksek verimlilik sağlayan grafen elektronik devreler üretmeye hazırlanıyor.

Bilgisayar devreleri Moore yasası1 uyarınca gittikçe küçülüyor ve hızlanıyor. Örneğin işlemci performansı her 18 ayda iki katına çıkıyor ama fiziksel engellerden dolayı, silikon devreler birkaç yıl içinde artık daha fazla küçülemeyecek.

 

 

O zaman daha küçük ve hızlı devreleri yepyeni materyallerden üretmek gerekecek. Grafen devreler bunlardan biri: Bao’ya göre nanoteknoloji yöntemleriyle metrenin 100 milyonda biri ölçeğinde üreteceğimiz “alan etkili transistorlar”, yani kısa adıyla FET’ler, bilgisayarlarda az elektrik harcayarak çok iş yapacak.

Bao ile arkadaşları sadece tek bir atom kalınlığında ve 20 ila 50 atom genişliğinde olan grafen şeritleri DNA’dan protein sentezlemeye benzeyen bir yöntemle üretmek istiyor. Ardından bu mikroskobik şeritleri devre kartlarına saç teli gibi yan yana döşeyerek, dünyanın en küçük ve hızlı transistorlarını kullanıma sunacaklar.

Bao’nun grafen şerit üretmekte kullanacağı yöntem, biraz da kızların kırık saç tellerini elle tek tek ayırmasına benziyor. Ancak bu işlem atom ölçeğinde DNA yardımıyla yapılıyor. Grafen devreler plastikten ve DNA’dan üretilen geleceğin ilk melez organik bilgisayarlarını yaratmakta kullanılacak.

 

 

Neden DNA?

Bao’nun çalışma arkadaşı ve bilimsel makalenin ortak yazarı Doç. Dr. Anatoliy Sokolovco neden DNA kullandıklarını şöyle açıklıyor: “Sadece tek bir atom kalınlığında ve 20 ila 50 atom genişliğinde olan bir materyal üretmek tahmin edebileceğiniz gibi çok zor bir şey.”

Stanford ekibi bu güçlüğün üstesinden gelmek için grafen elektronik devrelerin montajında DNA kullanmaya karar verdi! Öncelikle, DNA şeritleri fiziksel olarak grafen gibi süper ince ve uzun bantlar oluşturuyor. Bu da DNA kadar küçük grafen “tellerin” üretilmesini ve transistor montajında kullanılmasını kolaylaştırıyor. Bu yöntemde grafen teller klasik transistorlardaki bakır tellerin yerine geçiyor.

 

 

İnsan DNA’sı ile grafen kardeş sayılır

En azından bir anlamda: Kimyasal açıdan bakarsak hem DNA molekülleri hem de grafende karbon atomları bulunuyor. Bu durumda, hücre bölünmesi sırasında ikiye ayrılan DNA moleküllerini grafen şeritleri “sentezlemekte” kullanmak doğal görünüyor. Bilim adamları, mikroskobik DNA’yı yine mikroskobik grafen tellerin (şeritlerin) üretiminde kullanmak istiyor. Peki nasıl?

 

 

  1. Araştırmacılar sistemi laboratuarda denemek için önce küçük bir silikon tabla aldılar. Bilgisayar devrelerinin basıldığı kartların imalatında kullanılan silikon tabla, grafen devreler için inşaat temeli işlevini gördü.
  2. Daha sonra silikon tablaya bakterilerden alınan DNA çözeltisi damlattılar ve genetik mühendisliğindeki standart tekniklerle, çifte sarmal DNA’yı insan saçı gibi taradılar ve şeritler halinde uzatarak açtılar (yandaki resme bakabilirsiniz).
  3. Ardından tabladaki DNA’nın üzerine bakır–tuz çözeltisi döktüler. Böylece çözeltideki bakır iyonları DNA tarafından emildi.
  4. Sonraki aşamada silikon tabla ısıtıldı ve metan gazında yıkandı. Metan gazında grafen üretiminde kullanılacak karbon atomları bulunuyordu. İşte burada metan, bakır–tuz çözeltisi ve DNA’nın kimyasal özellikleri devreye girdi. Bunların birbiriyle reaksiyona girmesiyle üretilen ısı, DNA ve metan gazındaki bazı karbon atomlarının kopup serbest kalmasını sağladı.
  5. Serbest kalan karbon atomları hızla birleşerek kararlı mikroskobik altıgen şekiller, yani grafen maddesini oluşturdular. Atomlar serbest kalmakla birlikte kuruyan çözelti içinde buharlaşıp dağılmadığı için, DNA şeritlerine benzer formunu koruyarak, metrenin 100 milyonda birindeki grafen telleri meydana getirdi. DNA’nın doğal şekli karbon atomlarının grafen şeritleri oluşturmasını sağladı.

 

 

Moore yasasını delmek için

Sokolov, “Bu yöntemle ilk defa DNA’yı ince şeritler sentezlemekte kullanabileceğimizi ve böylece çalışan transistorlar üretebileceğimizi gösterdik” diyor. Ancak Profesör Bao’nun dediği gibi, laboratuar imalat tekniklerinin gerçek organik bilgisayar üretiminde kullanılması için bunların geliştirilmesi ve büyük ölçüde rafine edilmesi gerekiyor.

Örneğin, grafen her yerde tek bir atom kalınlığında olmalı ve grafen şeritlerin / tellerin genişliği de her yerde aynı olmalı. Halihazırda grafen atomlarında topaklanma var ve bu şekilsiz yapılar grafenin elektronik devre üretiminde kullanılmasını engelliyor.

 

 

Bakır ve silikondan daha küçük devreler üretmek zorlaşıyor

Yine de iki yılda bu kadar ilerleme kaydedilmiş olması, önümüzdeki senelerde silikon–bakır devrelerin demode olacağı anlamına geliyor. Bu da iyi bir şey: Silikon devreler daha fazla küçülürse, elektronlar kuantum fiziğindeki Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi nedeniyle transistor telleri arasında rastgele sıçrayarak bilgisayar devrelerinin kısa devre yapmasına yol açacak.

Yonga tasarımcıları daha güçlü çipler üretmek için transistorların boyunu sürekli küçültüyor. Elektronik devreler adı üstünde elektrikle çalıştığı için, transistorlarda gittikçe küçülen mikroskobik alana çok daha fazla elektrik yükü biniyor. Sonuçta çipler aşırı ısınarak kısa devre yapıyor.

Daha hızlı ve daha küçük bilgisayarlar için elektronik devreleri küçültmenin tek yolu artık atom boyunda çipsetler üretmek. Bu da ancak grafen gibi yeni materyallerle mümkün. 🙂

 

 

Grafen nano materyaller süper ince ve esnek telefonların üretiminde kullanılacak (Samsung):

 

 

 

1Nitekim silikon devrelerde küçülme 2013’te yavaşlayacak. Bundan sonra 2 kat küçülme her 3 yılda bir olacak: “Overall Technology Roadmap Characteristics”. International Technology Roadmap for Semiconductors. 2010.
2Anatoliy N. Sokolov et al., Direct growth of aligned graphitic nanoribbons from a DNA template by chemical vapour deposition, Nature Communications, 2013, DOI: 10.1038/ncomms3402

 

Güneş Işığından Elektrik Üreten Grafen Boya ile Fatura Derdine Son >> Bedava enerji için evlerin dışını boyamak yeter

Bilim adamları içerdiği metalik tozlar sayesinde güneş ışığından elektrik üreten yeni bir grafen boya geliştirdiler. Artık herkes kendi evinde, bahçesinde, hatta arabasında bedava elektrik üretebilecek. Ücretsiz elektrik çağına geçmek için binaların dış cephesini ya da otomobillerin kaputunu grafenle boyamak yeterli. Elektrik üreten boya, en az Antalya’dan alışık olduğumuz güneş panelleri kadar verimli çalışıyor. Üstelik güneş paneli gibi tesisat kurmayı gerektirmeyen grafen boya, pek yakında basit bir kova ve fırça fiyatına satılacak.

 

 

Enerji santrallerinin modası geçiyor

Fosil yakıtların tükendiği ve azalan kaynaklara bağlı olarak petrol ile doğalgaz fiyatlarının tavan yaptığı dünyamızda, Manchester Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, güneş ışığını elektriğe dönüştüren özel bir metalik grafen boya geliştirdiler.

Profesör Kostya Novoselov’a göre “elektrik üreten boya” sadece bir atom kalınlığındaki grafit katmanından oluşan grafen ile metal dikalkojenit denilen özel metal tozunu bir araya getiriyor.

Süper ince ve esnek materyallerden üretilen bu “özel film” camlara, otomobillerin kaportasına veya binaların dış cephesine incecik bir katman halinde sürülüyor. Metal tozu içeren grafen boya güneş ışığını elektriğe dönüşüyor. Yüzde 30 verimlilikle çalışan ve güneş enerjisinin üçte birini elektriğe çeviren grafen boyanın performansı tatil yörelerinde kullanılan güneş panellerine denk.

Grafen boya şimdilik termik, hidroelektrik ve nükleer santrallerin yerini tümüyle alamaz ama mahallenizdeki apartmanlarda kullanılan beyaz eşyanın, termosifon, televizyon ve benzeri elektrikli cihazların enerji ihtiyacını tek başına karşılayabilir.

 

 

Nasıl çalışıyor?

Grafen üzerindeki çalışmalarıyla Andre Geim ile birlikte 2010 Nobel Ödülü alan Profesör Novoselov, grafen boyanın sırrını şöyle açıklıyor: “2 boyutlu atom kristallerine dayanan farklılaşmış yapıların bize sağladığı yeni fiziksel olanaklar ve fırsatlar hepimizi heyecanlandırıyor. Şimdiden farklı yapılara sahip çok sayıda 2 boyutlu kristal içeren zengin bir kitaplık oluşturduk.”

Novoselov’un bilimsel terimlerle ifade etmek istediği şey, Manchester Üniversitesi araştırmacılarının, grafit katmanlarının arasına atom ölçeğindeki mikroskobik 2 boyutlu kristallerden oluşan özel bir metal tozu serpiştirmiş olması. Dolayısıyla grafen boyayı otomobillerde kullanılan standart metalik boyaya benzetebiliriz. Ancak, grafen boya güneş enerjisinden elektrik üretiyor!

Grafenden üretilen iki dış katmanın arasına yerleştirilen bir dizi “geçişli metal dikalkojenit” tabakasından oluşan bu boyada grafen, elektriği son derece iyi taşıyan ince bir iletken katman işlevini görüyor. Boyadaki ışığa duyarlı metal tozları ise güneş enerjisini elektriğe dönüştürüyor. İletken grafen katmanları, fotoelektrik etki olarak adlandırılan bu süreçle üretilen elektrik akımını elektrik şebekesine taşıyor.

 

 

Her şeyi boyayabiliriz ve bütün eşyalar elektrik üretebilir

Grafen boyayı ilk etapta binaların dış cephesini boyamakta kullanmak mümkün. Sonuçta sıradan boya kullanımı söz konusu olduğu için evlerdeki panjurları, hatta storları bile boyayarak elektrik üretebiliriz. Yine de bilim adamları kendilerini bununla sınırlamıyor ve aynı zamanda pencereleri saydam grafenle boyayarak otomobil camları ile AVM vitrinlerini de tam kapasiteli birer enerji santraline dönüştürmeyi planlıyor.

Grafen boya ile enerji santrallerine, elektrik dağıtım şebekelerine ve Ayedaş gibi kaçak kullanım bedelini bizden kesen şirketlere gerek kalmayacak… Ve elbette bu şirketlere elektrik faturası ödemekten kurtulacağız. Elektrik üreten boyalar enerji alanında devrim yaratacak ve bırakın enerji santrallerini; güneş panelleri, güneş santralleri ile rüzgar enerjisi teknolojilerini bile gereksiz kılacak.

Grafen boyanın en büyük özelliği, elektrik üretmek için özel bir tesis inşa etmeye veya özel makineler kurmaya gerek kalmaması: Teorik olarak, grafen boyayı kamp yapmak için araziye çıktığınızda yanınızdaki kayanın üstüne sürebilir ve gündüz gözüyle taştan elektrik üreterek ikindi çayını ısıtabilirsiniz.

 

 

Enerji tekeline ve elektrik faturasına son

Grafen boya ve güneş enerjili otoyollar, enerji tekelini devletlerin ve şirketlerin elinden alacak. Bu tür gayri merkezi (dağıtık) yapılar, yani herkesin kendi elektriğini üretebilmesi vatandaşa gerçek tüketim özgürlüğü kazandıracak. Bu da subaşlarını elinde tutarak bizi sömüren şirketlerin saadet zincirini bozacak.

Renk değiştirme özelliğine sahip olan grafen boyaların marifetleri saymakla bitmiyor. Örneğin grafen boya ile çeşitli renklerde akıllı telefon kapakları üretebilir ve bu kapaklar sayesinde mobil cihazların güneş enerjisi ile çalışmasını sağlayabilirsiniz. Böylece telefonunuzu pil kullanmadan çalıştırabilir veya cihazınızı şarja takmak için elektrik parası ödemeden, akıllı telefonları sadece güneş ışığı ile şarj edebilirsiniz.

 

 

Esnek elektronik için esnek pil şart

Saydam ve estetik grafen boya, geleceğin esnek ekranlarının ve kumaş gibi katlanabilen bilgisayarlarının yaygınlaşmasında büyük rol oynayacak. Nitekim grafen boya kaplı akıllı telefonlar Everest dağının tepesinde veya Sahra Çölünün göbeğinde bile kendi elektriğini üretebilir.

Grafen boyalı gömlekler, ayakkabılar, pantolonlar, hatta tabak çanak ve diğer mutfak eşyaları bize gerçek hareket özgürlüğü sağlayacak. Aslında kumaş gibi katlanabilen esnek elektronik cihazlardan yararlanmak için esnek pil geliştirmemize bile gerek yok. Bunun yerine, mendil gibi katlanabilen gelecek nesil telefonları grafenle boyayabilir ve mobil cihazları biber kurutur gibi öğle güneşinin altında bırakarak şarj edebiliriz.

Günümüzde “saydam fiber optik kablolardan üretilen akıllı iplikleri” normal kumaş gibi dokuyarak, güneş ışığından elektrik üreten giysiler geliştirmek isteyen bilim adamları var ve bunların haberleri interneti süslüyor. Oysa fiber optik kumaşlar asla Beymen’den satın aldığımız pamuklu gömlekler gibi rahat ve kullanışlı olmaz veya normal bir tişört gibi makinede yıkanamaz. Grafen boya ise güneş enerjisi teknolojisinden faydalanmayı tekstil fabrikasında kumaş boyamak kadar kolaylaştırıyor. Bütün eşyaların elektrik üretmesini sağlayan grafen boyaya şimdilik gerçek bir ekonomik rakip görünmüyor.

 

 

Her şeyi boyuyoruz ve her şeyden elektrik üretebiliriz.

Serbest formunda stabil olmadığı düşünülen grafeni 2004 yılında ilk kez izole ederek grafen araştırmalarının önünü açan Manchester Üniversitesi’nden Dr. Liam Britnel, grafen boya mucizesini şöyle tanımlıyor1: “Bu tür ışığa duyarlı heteroyapı tasarımlarından yola çıkarak bu kadar kısa süre içinde gerçekten çalışan bir ürün geliştirebilmiş olmamız çok etkileyici bir durum. Bu fikir daha başında işe yaradı ve hiçbir şekilde optimize edilmemiş olan yapılar bile dikkate değer özellikler gösterdi.”

Ne dersiniz? Grafen boya kimsenin enerjiye para ödemeyeceği ve petrol şirketlerinin tarihe karışacağı temiz bir dünyanın, çevre kirliliğinden ve küresel ısınmadan arınmış bir uygarlığın öncüsü olabilir mi? Bence hikaye kendini anlatıyor! 🙂

 

 

1Strong light-matter interactions in heterostructures of atomically thin films (PDF 3.46MB)
L. Britnell, R. M. Ribeiro, A. Eckmann, R. Jalil, B. D. Belle, A. Mishchenko, Y.-J. Kim, R. V. Gorbachev, T. Georgiou, S. V. Morozov, A. N. Grigorenko, A. K. Geim, C. Casiraghi, A. H. Castro Neto & K. S. Novoselov, Science   340, 1311-1314 (2013). DOI: 10.1126/science.1235547