Nanotüp “Ribar” Grafenin Sertleşmesine Yardımcı Oluyor
Fotoğraf: Grafene gömülü karbon nanotüpler inşaat ribar gibi davranarak grafeni daha sert hale getirir.
Hassas ölçümler, karbon nanotüpler ile güçlendirilen grafenin, yağmura ve çatlamaya karşı iki kat daha dayanıklı olduğunu ortaya koymaktadır.
Çok ince ve son derece iletken olan grafen, esnek elektronik ve yüksek enerjili akü elektrotlarda başarılı olacağa benziyor. Ancak malzeme bilimciler, malzemenin kırılgan yapısından dolayı pratik uygulamalar yapılamayacağı konusunda endişeleniyorlar. Karbon nanotüpleri, bilimsel sergilerin yeni göz bebeği olabilir. Hassas ölçüm teknikleri ve simülasyonlar; grafeni karbon nanotüpler ile kaplamanın, betonarme yapıları daha esnek hale getirmesinin yanında, kırılmaya karşı direncinin artmasına da yardımcı olduğunu göstermektedir (ACS Nano 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b02311).
Grafendeki karbon-karbon bağları, doğada bulunan en güçlü bağlardan biridir. Rice Üniversitesi’nde nanomekanik uzmanı Jun Lou, “Bu mükemmel dünyada, bu bağlar çok güçlü olmalı” diyor. Fakat objektif bir göz ile bakılacak olursa, bu malzeme aslında kırılgandır. Yapısında en ufak kusurlu yerinden kolaylıkla kırılabiliyor. Lou, 2014 yılında, 4 megapascal kırılma sertliğine sahip olan saf grafenin darbeye karşı kırılmak üzere tasarlanan emniyet camından daha kırılgan olduğunu belirttiği bir makale yayınladı (Nat. Comm. 2014 DOI: 10.1038/ncomms4782). Bunun, esnek elektronikler gibi uygulamalarda bir sorun olacağını söylüyor. Malzemedeki deformeler, grafen cihazlarında kısa devreye veya pahalı imalat problemlerine yol açabilir. Lou “Gerçekçi düşünecek olursak, bu, ticari alanda güvenilirlik sorunu oluşturur” diyor.
Fotoğraf: Araştırmacılar, rastgele bir düzende olan karbon nanotüplerle (koyu yeşil çizgilerle) güçlendirilmiş grafenden (açık yeşil) yapılmış bir kompozit malzemeyi inceledi. Nanotüpler, malzeme kopana kadar grafeni bir arada tutar. Bu resim, elektron mikroskop görüntülerine dayanan yazılım simülasyonları yardımıyla oluşturuldu.
Bunun üstesinden gelmenin bir yolu, kusurları gidermek için grafenin kristalli yapısını kontrol etmeye çalışmaktır, ancak bu zordur. Rice Üniversitesi nano kimyacı James M. Tour, kompozit yapı malzemelerinden esinlenerek, aynı zamanda iyi elektriksel özelliklere sahip başka bir karbon nanomalzeme (karbon nanotüpleri) kullanarak farklı bir yöntem buldu. Ribar grafen adını verdiği grafen-nanotüp bir hibrit geliştirdi. Bir bakır yüzeyini karbon nanotüpleri ile kaplayıp kimyasal buhar yardımıyla üst katmana grafeni yerleştirdi, ardından nanotüple kaplı grafeni soyarak ayırdı (ACS Nano2014, DOI: 10.1021/nn501132n). Tour, malzemenin, inşaat demiri içeren beton gibi esnek olacağına inandı ve bu önseziyi kanıtlamak için gereken kapsamlı mekanik testleri yapmak üzere Lou ile birlikte çalıştı.
Lou’nın grubu, farklı elektron mikroskopları altında ribar grafenini bağlı olduğu nanotüplerden farklı açılarla tutup çekebilen küçük bir mekanik cihaz kullanarak kırılma deneylerini tekrarladı. Deneysel yöntemler, grafen çatladığında meydana gelenleri tek başına yakalayamaz- bu çok hızlı gerçekleşir. Bu yüzden ekip, moleküler simülasyonlarda Uzman Brown Üniversitesi araştırmacıları ile iş birliği yaptı. Ekip, birçok deneyden gelen görüntüleri bir araya getirerek ve olayları canlandırarak, ribar grafeninin tek nanotüp seviyesine kadar düştüğünde ne olduğunu tam olarak anlayabildi.
Lou, “Neler olup bittiğini anlamak birkaç yılımızı aldı” diyor. “Saf grafende, çatlak durdurulamaz ve düz bir çizgi halinde devam eder.” Ribar grafeninde; nanotüpler, grafenleri köprü gibi bir arada tutar ve çatlakları, gerilim çok fazla oluncaya ve nanotüp dayanamayacak duruma gelinceye kadar ileri geri sürükleyerek zig zag şeklinde hareket ettirir. Ribar grafen, 10,7 MPa ile, saf graphene göre iki kattan daha fazla kırılma dayanıklılığına sahiptir. Mevcut cihazlarda kullanımının güvenilirliğinin hala kanıtlanmaya ihtiyacı olsa da bu temel malzeme özellikleri, karbon nanomalzemelerinden sağlam elektronikler üretenler için iyi bir haber. Tour’un önceki çalışmaları, ribar grafeninin daha düz grafenden daha düşük bir elektrik direncine ve daha iyi bir şeffaflığa sahip olduğunu gösterdi.
Lou, geleceği parlak olan diğer çok ince, molibden disülfit gibi iki boyutlu elektronik malzemelerin de kırılgan olduğunu ve aynı yöntem kullanılarak sertleştirilebileceğini söylüyor. Georgia Teknoloji Enstitüsü’nde makine mühendisi olan Ting Zhu, çalışmada kullanılan tekniklerden etkilendiğini belirtiyor ve bunun daha geniş çıkarımları olacağını kabul ediyor. “Bu, yeni nesil ribar grafeninin geliştirilmesinde olduğu kadar aynı zamanda esnek elektronik ve enerji depolamada kullanılabilen güçlü ve sağlam diğer 2-D kompozit malzemelerin geliştirilmesinin de önünü açıyor” diyor.
Kaynak: cen.acs.org
