Karbon atomlarının tek bir sıra halinde dizilmesi ile oluşan grafen, bilinen en güçlü malzeme olarak hep övüldü. Çelikten 200 kat güçlü ve kağıttan daha hafif olan grafenin mekanik ve elektriksel özellikleri de sıradışıydı. Peki acaba bunca övgünün hakkını verebilecek mi?

ABD'de bulunan Berkeley Ulusal Laboratuvarı'ndaki bilimciler, kimyasal buhar biriktirme (İng. chemical vapor deposition) ile yapılan çok kristalli grafenin (İng. polycrystalline graphene) tokluğu için ilk istatistiksel kuramı geliştirdi. Malzeme kuşkusuz güçlüydü (her ne kadar saf tek kristalli grafen kadar olmasa da); ancak daha önemlisi, tokluğu yani çatlamaya karşı gösterdiği direnç epey düşüktü. Ekip çalışma sonuçlarını Nature Communications dergisinde yayımlanan makalelerinde paylaştı.

"Bu malzemenin mukavemeti (İng. strength) kesinlikle çok yüksek, fakat son derece düşük bir tokluğa (İng. toughness) sahip; elmasınkinden daha düşük ve saf grafitinkinden biraz daha yüksek. Aşırı yüksek mukavemeti çok etkileyici ama bu güçten yararlanabilmemiz için parçalanmaya karşı dirençli olması gerekiyor," şeklinde açıklıyor Berkeley Lab'dan Robert Ritchie.

Ekibinden Ashivni Shekhawat ile birlikte çok kristalli grafenin tokluğu için istatistiksel bir model geliştiren Ritchie, malzemede oluşabilecek bozulmaları daha iyi anlayıp öngörebilmeyi umuyor. "Malzemenin nano ölçekteki yapısını hesaba katan bir matematiksel model bu. Mukavemetin, belli bir boyuta kadar tanecik büyüklüğü ile değiştiğini gördük. Fakat daha da önemlisi bu model grafenin çatlama direncini tanımlıyor," diyor.

Tokluk yani malzemenin bütünlüğünün bozulmasına karşı gösterdiği direnç ile mukavemet yani malzemenin biçiminin bozulmasına karşı gösterdiği direnç genellikle birbirleriyle çatışan özelliklerdir. "Yapı malzemelerinin tok olması gerekir. Kritik yapılarda mukavemeti yüksek malzemeler kullanmıyoruz; tok malzemeler kullanıyoruz. Böyle bir yapı söz konusu olduğunda, örneğin bir nükleer reaktörün basınç kabına baktığınızda ultra-mukavemetli çelikten değil, nispeten düşük mukavemetli çelikten yapıldığını görürsünüz. En tok çelikler çekiç başı gibi aletlerin yapımında kullanılır, ama asla kritik bir inşaatta tercih edilmez. Çünkü feci sonuçlar doğurabilecek bir çatlak oluşmasından korkulur," şeklinde açıklıyor Ritchie.

Yazarların makalelerinde belirttiği gibi, grafen kullanılması önerilen pek çok son teknoloji ürünü uygulamaların (bükülebilen elektronik ekranlar, paslanmaya dirençli kaplamalar ve biyolojik cihazlar gibi) yapısal sağlamlığı, grafenin mekanik özelliklerine bağlı olacak demektir. Saf tek kristalli grafenin daha az kusuru olabilse de, yazarların yaptığı çalışmaya göre çok kristalli grafeni çok daha ucuza ve kimyasal buhar biriktirme ile yaygın biçimde sentezlemek mümkün görünüyor. Ritchie şimdilik malzemenin tokluğuna ilişkin sadece bir adet deneysel ölçüme vakıf olmuş.

"Elimizdeki rakamlar bu deneysel sayı ile uyumlu. Uygulama açısından bu sonuçlar, tek kristalli grafen yaprağının bir futbol topunu kırılmadan taşıyabileceği anlamına geliyor. Buna karşılık çok kristalli grafen yaprağı içinse futbol topu fazla ağır geliyor ve kırılmadan taşıyabileceği bir nesneye örnek olarak ancak masa tenisi topunu verebiliyoruz. Tabi tek atom kalınlığındaki bir malzeme için bu da oldukça etkileyici olsa da, tek kristalli grafen kadar nefes kesici değil," diyor Ritchie.

Shekhawat ve Ritchie'nin bir sonraki çalışmaları, malzemeye hidrojen eklemenin etkilerini incelemek üzerinde yoğunlaşıyor. Grafen çatlamalarına ilişkin pek fazla bilgiye sahip olunmadığını belirten bilimcilerin şimdiye dek görebildikleri kadarıyla, hidrojen varolduğu durumda çatlaklar çok daha kolayca büyüyor. Araştırmacılar çalışmalarını sürdürerek, malzemenin diğer atomlara karşı duyarlılığını daha iyi anlamayı amaçlıyor.



 

---

Kaynak: Phys.org, "Graphene is strong, but is it tough?"
< http://phys.org/news/2016-02-graphene-strong-tough.html >

İlgili Makale:Ashivni Shekhawat et al. Toughness and strength of nanocrystalline graphene, Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/NCOMMS10546

---