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

2019 yılı Prof. Dr. Fuat Sezgin Yılı olarak ilan edildi. Bilim Genç olarak 2019 yılı boyunca Prof. Dr. Fuat Sezgin’in İslam bilim ve teknoloji tarihine katkılarını farklı yazılarla ele alacağız. Prof. Dr. Fuat Sezgin anısına hazırladığımız diğer yazılara ulaşmak için tıklayın.

Kimya

İdeal gazların hareketlerini ve birbirleriyle etkileşmelerini bilardo ya da pinpon toplarınınkine benzetebiliriz. Bu etkinliğimizde de pipon toplarını kullanarak maddenin gaz hâlinin bir benzetimini yapacağız.

Kimya

Orta Doğu Teknik Üniversitesi tarafından üniversite ve lise öğrencilerine konuşma yapmak üzere Türkiye’ye gelen Nobel ödüllü Prof. Dr. Agre başarı hikâyesini Bilim Genç’e anlattı.

Kimya

Herhangi bir maddenin bir molü atomlarının ya da moleküllerinin belirli bir sayısıdır. Bu değer Avogadro sayısıyla ifade edilir. Avogadro sayısının ismi İtalyan bilim insanı Amedeo Avogadro’dan gelir.

Kimya

Massachusetts Teknoloji Enstitüsünde (MIT) çalışan Kehang Cui ve Brian L. Wardle, bilinen en kara malzemeyi üretti. Malzeme, üzerine düşen ışığın %99,995’inden fazlasını soğuruyor.

Kimya

Kimyacılar, yapılarında meydana gelen değişimleri öğrenmek için genellikle maddeleri ısıtır. Katı hâldeki maddelerin bazıları ısıtıldıklarında erir bazıları sıvı hâle geçmeden doğrudan buharlaşır yani süblimleşir. Sıvılar ise genellikle gaz hâle geçer. Soğutulduklarında eski hâllerine dönerler.

Kimya

Nobel Kimya Ödülü’nün 2019 yılındaki sahipleri, Austin’deki Texas Üniversitesinden John B. Goodenough, New York Eyalet Üniversitesinden M. Stanley Whittingham ve Meijo Üniversitesinden Akira Yoshino oldu. Araştırmacıların lityum iyon pillerin geliştirilmesine yaptıkları önemli katkılar sebebiyle ödüle layık görüldükleri açıklandı.

Kimya

Georgia Teknoloji Enstitüsünden Paul Kohl ve arkadaşları güneş ışığına maruz kaldığında kendiliğinden yok olan bir tür plastik malzeme geliştirdi.

Kimya

Laboratuvar ortamında üretilen bir malzeme tıpkı gerçek bir doku gibi metabolik reaksiyonları gerçekleştirebilir, aynı zamanda vücutla uyumlu olabilir mi? Bilim kurgu filmlerinde karşılaşabileceğimiz bu durum biyolojik nanomalzemeler sayesinde mümkün olabilir.

Kimya

Yeryüzünün pek çok bölgesinde insanlar temiz suya erişmekte güçlük geçiyor. Üstelik küresel iklim değişikliği ve insan etkinlikleri sebebiyle gelecekte durumun daha da kötüleşme ihtimali var. Bu soruna çare bulmak için çalışmalar yapan Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesinden Prof. Dr. Omar Yaghi ve arkadaşları, atmosferden su buharı toplayarak içme suyu üreten bir cihaz geliştirdi.