Karbon Harikası Yapılar

Artem_Egorov / iStock

Grafenin iki boyutlu bal peteği örgü yapısı

Karbon evrendeki en yaygın altıncı, insan vücudunda ise oksijenden sonra en çok bulunan ikinci elementtir. İnsan vücudunun kütlece yaklaşık %18’i karbondan oluşur.

Grafit ve kömür gibi karbon türevi maddeler insanlar tarafından tarih öncesi dönemlerde yazı, çizim gibi amaçlar için kullanılıyordu. Karbondan oluşan maddelerin özellikleri daha iyi anlaşıldıkça sağlıktan enerjiye, teknolojiden giyim sektörüne birçok alanda kullanılmaya başlandı.

Uzun yıllar boyunca sadece karbondan oluştuğu bilinen doğal yapılar grafit ve elmastı. İkisi de karbondan oluşmasına rağmen, grafit ve elmasın kristal yapıları ile fiziksel ve kimyasal özellikleri birbirinden büyük farklılıklar gösteriyordu. Örneğin elmas çok sert bir malzeme olmasına rağmen kurşun kalemlerin uçlarından bildiğimiz grafit kolayca parçalanabilir.

Peki, ikisi de karbondan oluşmasına rağmen bu iki maddenin özellikleri neden birbirinden çok farklı?

Grafit ve elmas, karbonun allotroplarıdır. Allotrop aynı elemente ait atomların farklı şekillerde dizilmesi sonucu oluşan, birbirinden farklı geometrik yapılara sahip maddelerdir. Allotropların bazı fiziksel ve kimyasal özellikleri birbirinden farklıdır.

Karbonun birçok allotropu bulunuyor. Her geçen gün karbonun yeni allotropları keşfedilmeye devam ediliyor.

Gelin, karbonun hayatımızda önemli rolü olan allotroplarından bazılarını daha yakından tanıyalım.

1. Elmas: Değerli Bir Taş

MXV Photo / iStock

Elmas, bilinen en sert doğal malzemedir.

Tarih boyunca insanlar tarafından değerli bir taş olarak kabul edilen elmas, bilinen en sert doğal malzemedir. Elmasın yapısındaki karbon atomlarının her biri, çevresindeki diğer dört karbon atomu ile düzgün dörtyüzlü geometrik şekle sahip kristal yapılar oluşturur. Elmasın bu kadar sert olmasının sebebi, kristal yapıdaki bağların sağlamlığıdır. Bu sayede elmas ısıyı iletirken elektriği iletmez.

Elmas sağlıktan otomotive, ses teknolojisinden endüstriyel üretime çok farklı alanlarda kullanılıyor. Ayrıca yapay yollarla üretilen nano ölçekteki elmas parçacıklarından, bazı kanser türlerinin tedavisinde yararlanılıyor. Yapılan çalışmalar nanoelmasların vücuda kolaylıkla uyum sağlayabilme özellikleri sayesinde yaraları iyileştirmede ve ilaçların vücuttaki iletimini sağlamada da hayli etkili olduğunu gösteriyor.

Goktugg / iStock

Elmasın düzgün dörtyüzlü geometrik şekle sahip kristal yapısı

2. Grafen: Bal Peteği Örgü Yapısı

Karbon atomunun iki boyutlu bir allotropu olan grafen, karbon atomlarının birbirlerine altıgen oluşturacak şekilde bağlanmasıyla oluşan, tek katmanlı bir malzemedir. Isıyı ve elektriği çok iyi iletir. Grafen keşfedilen iki boyutlu ilk malzemedir. Tek atom kalınlığında bir malzeme olan grafenin kalınlığı, bir saç telinin çapının bir milyonda biri kadardır. Grafen aynı kalınlıktaki çelikten ise 200 kat güçlüdür. Aynı zamanda hafif ve esnek bir malzemedir.

Kateryna Kon / Science Photo Library

Grafen, su arıtmada kullanılıyor.

Grafen farklı alanlarda yaygın şekilde kullanılan bir malzeme. Örneğin çevre dostu ve maliyeti düşük su arıtma sistemlerinde kullanılıyor. Ayrıca kanser tedavisinde kemoterapi ilaçlarının tümörlere taşınmasında faydalanılıyor. Kumaşlarda kullanılan grafen, ısıyı uzun süre korumaya yardımcı olabiliyor ve bakterilerin kıyafetlerin yüzeyinde çoğalmasını engelliyor.

Grafenin başka alanlarda kullanılmasına yönelik araştırmalar devam ediyor. Örneğin grafen kullanılarak üretilen bataryalar sayesinde elektronik cihazlarda kullanılan geleneksel bataryalardaki pil ömrü sorununun ortadan kalkabileceği öngörülüyor.

3. Grafit: Çok Yönlü Bir Mineral

Franny-anne / Istock

Grafit, kurşun kalem uçlarında kullanılır.

Karbonun bir diğer doğal allotropu ise grafittir. Grafit, grafen katmanlarının bir araya gelmesiyle oluşan katmanlı bir yapıya sahiptir. Grafit, siyah renkte olup yumuşak bir yapıdadır. Elektriği ve ısıyı çok iyi iletir. Ayrıca erime noktası yüksektir. Bu nedenle son derece geniş bir kullanım alanına sahiptir.

Erime noktası yüksek bir malzeme olan grafit, ısıya karşı dayanıklı yapısı sayesinde metal sanayiinde sıkça kullanılır. Ayrıca grafen katmanlarının birbiri üzerinden kolayca ayrılması sayesinde, grafit metal parçalarının hareketini kolaylaştırıcı bir etkiye sahiptir.

Theasis / iStock

Grafit tabakaları

4. Grafulleren: İki Boyutlu Polimer

Karbonun en son sentezlenen allotroplarından biri olan grafulleren, karbonun diğer bir allotropu olan fullerenin birbirine bağlanmasıyla oluşan iki boyutlu bir polimerdir.

jack0m / iStock

Fulleren molekülleri, karbon atomlarından oluşan küre biçimli moleküllerdir.

Bu yeni karbon formunun çok ince bir yapıya sahip olması, elektronik teknolojisinden havacılığa, savunma endüstrisinden otomotive birçok alanda kullanılmasına imkân sağlayabilir. Ayrıca grafullerenin yeni nanomalzemelerin geliştirilmesini kolaylaştırabileceği öngörülüyor. Isı iletkenliğinin fazla olması sayesinde uzay araçlarında koruyucu kaplama olarak kullanılabileceği düşünülüyor.

Nature

Grafulleren polimerinin elektron mikroskobu ile kaydedilen görüntüsü

Kaynaklar:

• https://www.intechopen.com/online-first/84336#
• https://www.graphene.manchester.ac.uk/learn/applications/
• https://news.mit.edu/2021/graphene-foam-filter-toxins-from-water-0804
• https://www.chemistryworld.com/news/new-allotrope-of-carbon-synthesised/4016795.article
• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5848992/