Skip to content Skip to navigation

İki Boyutlu Malzemeler

Dr. Mahir E. Ocak
29/11/2018 - 14:54

İçinde bulunduğumuz uzay üç boyutludur. Atomların bir araya gelmesiyle oluşan katılar, sıvılar ve gazlar bu uzayda bir hacim kaplar. Günümüzün aktif araştırma alanlarından biriyse iki boyutlu ya da bir diğer adıyla tek katmanlı malzemeler. Bu malzemelerin yapısı kristalli katılarınkine benzer. Ancak sıradan kristalli katılar gibi üç boyutlu değil, iki boyutludurlar.

Kristalli katılarda atomlar uzayda bir hacim kaplayan üç boyutlu, düzenli bir yapı oluşturur. Malzeme çok katmanlıdır ve farklı katmanlar arasında güçlü ya da zayıf bağlar vardır. Örneğin karbon atomlarının bir araya gelmesiyle oluşan elmas ve grafit üç boyutlu kristalli katıların örnekleridir. Hayli yumuşak bir yapısı olan grafitteki karbon atomları, katmanlar içinde birbirlerine altıgen oluşturacak biçiminde bağlanır. Malzemenin yumuşak olmasının sebebi farklı katmanlar arasındaki bağların zayıf olmasıdır.

Grafitin yapısı

Doğadaki en sert malzemelerden biri olan elmastaysa bir katmandaki karbon atomları altındaki ve üstündeki katmanlarda yer alan en yakın dört komşusuyla güçlü bağlar kurar.

Elmasın yapısı

İki boyutlu malzemelerde de düzenli bir yapı vardır. Ancak bu malzemelerde atomlar tek bir katmanın içinde yer alır. Aralarında güçlü ya da zayıf bağlar olan farklı katmanlar yoktur. Örneğin karbon atomlarından oluşan grafen gibi.

Grafenin yapısı

Bugüne kadar kuramsal yöntemlerle 700 civarında tek katmanlı malzemenin kararlı olduğu tahmin edildi. Bu malzemelerin bir kısmı da sentezlendi. Tek katmanlı malzemelerin laboratuvar ortamında elde edilen ilk örneği grafendi. Andre Geim ve Konstantin Novoselov, 2004 yılında yapışkan bir bant kullanarak grafitten bir katman koparmış ve daha sonra bu katmanı bir silisyum plakanın üzerine aktarmışlardı. Geim ve Novoselov grafen üzerinde yaptıkları çığır açıcı çalışmalar sebebiyle 2010 yılında Nobel Fizik Ödülü’yle onurlandırıldılar. Laboratuvar ortamında elde edilmiş tek katmanlı malzemelerin diğer örnekleri arasında bor atomlarından oluşan borofen, germanyum atomlarından oluşan germanen ve bizmut atomlarından oluşan bizmuten sayılabilir. İki boyutlu bileşikler de vardır. Örneğin n çok büyük bir sayı olmak üzere, (CH)n kimyasal formülüne sahip grafan, karbon ve hidrojen atomlarından oluşan bir bileşiktir.

Grafanın yapısı

Günümüzde iki boyutlu malzemelerden büyük ölçekte yararlanıldığı söylenemez. Ancak pek çok iki boyutlu malzeme üzerine araştırmalar yapılıyor ve sanayi ile teknolojide büyük bir potansiyele sahip oldukları düşünülüyor. Örneğin üzerine en çok çalışma yapılan iki boyutlu malzeme olan grafen, aynı ağırlıktaki pek çok çelikten yüzlerce kat daha güçlüdür. Ayrıca bilinen en yüksek termal ve elektriksel iletkenliğe sahip malzeme de grafendir. Taşıyabildiği akım yoğunluğu bakırın taşıyabildiğinin bir milyon katı kadardır.

Kalay atomlarından oluşan stanen, kuramsal olarak kararlı olduğu tahmin edilmiş ancak henüz sentezlenememiş tek katmanlı malzemelerden biridir. Stanenin topolojik yalıtkan olarak sınıflandırılan (gövdeleri yalıtkan, kenarları iletken olan) malzemelerin bir örneği olduğu düşünülüyor. Ayrıca stanen tahminlere göre NOx, COx gibi hava kirliliğine neden olan maddeleri yakalayıp ayrıştırabilecek kapasiteye de sahip.

Grafen ve stanen dışındaki diğer birçok tek katmanlı malzemenin de yarı iletken cihazlardan güneş gözelerine ve su arıtıcılara kadar pek çok teknolojide yararlı olacağı düşünülüyor. Bugün için iki boyutlu malzemelerin kullanım alanlarını sınırlandıran en önemli etkenlerden biri, üç boyutlu malzemelerle birlikte kullanılmalarının zorluğu.

 

İlgili İçerikler

Kimya

Plastikler günlük yaşamımızın bir parçası. Kolay şekillendirilebilmeleri, maliyetlerinin düşük olması, ısı ve elektrik yalıtımı sağlamaları gibi özellikleri nedeniyle yaygın olarak kullanıyorlar. Peki, plastiksiz bir dünya mümkün mü? Biyoplastikler, plastiklerin neden olduğu sorunlara çözüm olabilir mi?

Kimya

Deneyler köşesinin bu etkinliğinde çeşitli kimyasal maddeler kullanarak ve elektrik devresi kurarak yazı yazarken kimyanın alt dallarından biri olan elektrokimyayı daha yakından tanıyoruz.

Kimya

Arşimet prensibine göre su ve hava gibi herhangi bir akışkana bırakılan bir katı cisme akışkan tarafından cismin ağırlığının karşı yönünde yani yukarı doğru bir kuvvet uygulanır. Suya bırakılan katı cisimlere uygulanan bu kuvvete suyun kaldırma kuvveti denir. 

Kimya

Bir periyodik tabloda elementler yapısal özelliklerine göre kategorilere ayrılarak sınıflandırılır. Fakat periyodik tablonun nasıl okunacağı yani periyodik tablodan neler öğrenebileceğimiz bazı önemli fizik kurallarına bağlıdır. 

Kimya

Araştırmacılar maddenin yeni bir halini keşfetti. Deneysel ve kuramsal çalışmalar potasyum metalinin yüksek basınç ve sıcaklık altında hem katı hem de sıvılara benzer özelliklere sahip olduğunu gösteriyor. 

Kimya

İnsan vücudu sürekli ısı yayar. Uzak geçmişte bu ısıyı düzenlemenin tek yolu daha kalın ya da daha ince kıyafetler giymekti. Geçtiğimiz yüzyılda kumaşlar üzerine yapılan bilimsel çalışmalarsa bu durumu değiştirdi. Günümüzde uzun mesafe koşucularının vücutlarını serin tutan ya da dağcıların vücutlarını sıcak tutan kumaşlar var.

Kimya

Parlak ve canlı renkli kalemler veya boyalar kullanmayı birçoğumuz severiz. Peki, bu boya renklerinin nasıl oluştuğunu hiç merak ettiniz mi? Deneyler köşesinin bu etkinliğinde kâğıt kromatografisi yöntemini kullanarak keçeli kalemin içindeki mürekkebi ayrıştırıp inceleyeceğiz. 

Kimya

Câbir bin Hayyan, deney ve teoriye dayalı kimyanın ortaya çıkmasının öncüsü kabul ediliyor.  Prof. Dr. Fuat Sezgin, İslam Uygarlığında Mimari, Geometri, Fizik, Kimya kitabında Câbir bin Hayyan’a özel bir başlık ayırmış.

Kimya

Bugün 11 Şubat Uluslararası Bilimde Kadınlar ve Kız Çocukları Günü. Bugüne özel olarak sizler için 2018 yılı TÜBİTAK Teşvik Ödülü’nü kazanan Doç. Dr. İmren Hatay Patır ile bir söyleşi gerçekleştirdik.

Kimya

Dimitri Mendeleyev periyodik tablonun ilk versiyonunu 150 yıl önce, 1 Mart 1869’da (miladi takvime göre) ortaya koymuştu. Bilinen 63 elementten oluşan periyodik tablonun bu taslak hali yıllar içinde birçok bilim insanının katkısıyla gelişti.