Karbon Nanotüpler ve Nanoteknoloji İle Gelecek

Karbon Nanotüpler ve Nanoteknoloji İle Gelecek

Karbon nanotüpler modern teknolojinin ilgi çeken konularından biridir. Elektronikten medikal uygulamalara birçok alanda yararlanılan bu nano malzemeler yüksek elektrik ve termal iletkenlikleri, güçlü mekanik özellikleri ve kimyasal özellikleriyle dikkat çekmektedir. Nanoteknolojinin altın çocuğunu gelin birlikte tanıyalım.

Teknoloji, sanayi devriminden bu yana ivmeli bir ilerleme göstermektedir. İnsanoğlunun ihtiyaçları ve teknolojik gelişmeler, birbirine bağlı bir döngü halinde birbirlerini etkilemekte ve değişime yol açmaktadır. Değişim ve ilerlemeye olan bu ihtiyacın yakın dönemde verdiği bir meyve de “Nanoteknoloji” olmuştur. Maddeyi nano ölçüde inceleyip kullanan nanoteknolojinin temelleri, 1959 yılında Richard Feynman tarafından atılmış, sonrasında önemli ilerlemeler kaydedilmeye başlanmıştır. Nanoteknoloji en çok dikkat çeken buluşlarından biri de 1991’de bulunan karbon nanotüplerdir (KNT). Bu tarihten itibaren karbon nanotüpler, üzerinde en çok çalışma yapılan materyallerden biri haline gelmiştir.

Karbon Nanotüp Nedir? Varyasyonları Nelerdir?

Karbon nanotüp, grafen olarak adlandırılan iki boyutlu (2D) örülü karbon yapının silindir şeklinde sarılmış halidir. Bu tüpün iki ucu küresel silindir yapılarla kapatılmış olabilir. Karbon nanotüplerin çapı birkaç nanometrede sınırlı kalırken uzunluğu 20 nm’ye kadar çıkabilir. Karbon nanotüpler, tüp ekseninin hekzagonal karbon birimlerine bağlı konumuna göre üç farklı yapıya sahip olabilir. Bu yapılar zik zak, tipi, koltuk tipi ve helisel (chiral) tip olarak adlandırılmaktadır. Enine alınan bir kesitte bu dizilim yapıları rahatlıkla fark edilebilir. Grafenin tek katlı olarak sarılmasıyla elde edilen karbon nanotüp yapısı tek duvarlı karbon nanotüp olarak adlandırılmaktadır. Bunun yanında, birden fazla sarım yapılarak elde edilen çift katlı ve çok duvarlı karbon nanotüpler de yaygın olarak görülmekte ve kullanılmaktadır.

Tek duvarlı karbon nanotüp bilinen en basit nanotüp yapısıdır. Çapı 0,4 ve 3 nm arasında değişebilir. Çift ve çok duvarlı karbon nanotüplerin çapı ise duvar sayısına bağlı olarak 100 nm’ye kadar çıkabilir. Karbon nanotüpler hafif ve boşluklu yapıları, kimyasal kararlılıkları, elektrik iletkenlikleri, yüksek esneklik modülüne sahip olmaları ve bilinen en dayanıklı fiberlerden biri olmaları nedeniyle büyük ilgi çekmektedirler. Çok duvarlı karbon nanotüpler birçok açıdan performans düşüşü göstermese de mekanik dayanıklılık konusunda tek duvarlı karbon nanotüplere nazaran düşük bir performans göstermektedir. Bunu temel nedeni, karbon nanotüp katmanlarının sürtünmesizlik özelliği göstermesi ve dolayısıyla birbirleri üzerinden kayarak sıyrılma (pull-out) olarak bilinen özelliğin görülmesidir. Tek duvarlı karbon nanotüplerin gerilme mukavemeti 500 GPa'ya ulaşabilirken çok duvarlı karbon nanotüplerinki yalnızca 10-63 GPa'ya ulaşabilir. Aynı şekilde tek duvarlı karbon nanotüplerin Young modülü yaklaşık 1 TPa olarak raporlanırken çok duvarlı karbon nanotüpler için 0,2 TPa olarak raporlanmıştır. Tek duvarlı karbon nanotüpler çelikten 100 kat daha dayanıklı bir yapıya sahip olmalarına rağmen yoğunlukları çeliğin altıda biri kadardır. Bu özellik özellikle yapısal güçlendirmede dikkat çekmektedir.

Karbon Nanotüp

Karbon nanotüplerin bir diğer dikkat çeken özelliği ise elektrik iletkenlikleridir. Karbon nanotüp yapısı, grafenin simetrisi ve karbon atomlarının dizilişi iletkenlik özelliğini etkilemektedir. Koltuk tipi nanotüpler metalik özelliklerinden dolayı yüksek elektrik iletkenliği gösterir. Teoride metalik nanotüplerin elektrik gerilim yoğunlukları gümüş ya da bakır gibi metallere kıyasla 1000 kat daha fazladır. Çalışmalara göre tek ve çok duvarlı karbon nanotüpler elektrik iletkenliği açısından kayda değer bir farklılık göstermemektedir.

Karbon nanotüpler, ilgi çekici mekanik ve elektriksel özelliklerinin yanı sıra termal özellikleri ile de dikkat çekmektedir. Yüksek termal iletkenliklerinin temeli fonon bant yapısının bir boyutlu quantizasyonuna dayandırılmaktadır. Bir adet çok duvarlı karbon nanotüpün oda sıcaklığındaki termal iletkenliği 3000 W/K olarak raporlanmıştır. Bu değer grafitin termal iletkenliğinden yüksek olmasıyla dikkat çeker. Grup halinde bulunan çok duvarlı karbon nanotüplerin termal iletkenliğinin ise çok daha düşük olduğu görülmüştür. Tek duvarlı karbon nanotüplerin termal iletkenliği de çok duvarlı karbon nanotüplerin termal iletkenliğinden daha düşüktür. Karbon nanotüplerin termal iletkenliği nanoyapıların çap ve uzunluk, morfoloji ve yapısal kusurlardan etkilenmektedir.

Saf karbon nanotüpler kovalent bağlı karbon atomlarından oluşup kimyasal kararlılık göstermektedir. Yani, karbon nanotüpler gruplar halinde bulunup normal şartlar altında diğer moleküllerle etkileşime kolayca geçmezler. Bu yüzden, farklı yüzey özellikleri gösteren fonksiyonlandırılmış karbon nanotüpler günümüzde nanoteknoloji çalışmalarının ilgi odağı haline gelmiştir. Uygulanan kimyasal ve fiziksel değişimler, karbon nanotüplerin işlevselliklerini arttırıp kullanım alanlarını genişletmiştir. En yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biri karbon nanotüp yüzeylerini oksijen içeren organik moleküller ile modifiye etmektir. Genellikle asit işlemler sonucu elde edilen bu fonksiyonlandırılmış karbon nanotüpler yüzeylerinde karboksil karboksil (-COOH) veya hidroksil (–OH) grupları bulundurur. Bu fonksiyonel gruplar, karbon nanotüplerin suda çözünebilme özelliklerini arttırır ve diğer fonksiyonel grupların bağlanabilmesi için aktif alanlar oluştururlar. COOH grubu içeren karbon nanotüpler birçok organik madde için yüksek absorbe kapasitesi gösterirler. OH grubu içeren karbon nanotüplerinse karbon ve OH grupları arasındaki elektron alışverişinden dolayı daha yüksek elektronik iletkenlik gösterdiği belirtilir. En sık kullanılan modifikasyon grupları –COOH ve –OH gibi küçük organik moleküller olsa da, araştırmacılar yakın zamanda karbon nanotüp yüzeylerini DNA, polimer ve enzimler gibi daha kompleks organik bileşiklerle ve inorganik moleküllerle de modifiye etmeye başlamıştır. Polimer / karbon nanotüp kompozitleri özellikle organik moleküllere duyarlılıkları ve farklı özellikleriyle dikkat çekmektedir.

MWCNTT  C-NERGY

Karbon Nanotüp Kullanım Alanları

Saf ve fonksiyonlandırılmış karbon nanotüplerin gelişmiş özellikleri birçok uygulama alanında ilgi odağı haline gelmektedir. Yüksek yüzey alanı, elektriksel özellikleri, güçlü mekanik yapıları ve kimyasal özellikleri; elektronik, enerji ve sensör uygulamalarında, katkı maddesi olarak yapısal malzemelerde, kimyasal sensörler ve medikal uygulamalarda kullanılmaktadır.

Elektronik cihazlar

Karbon nanotüplerin benzersiz yapısı ve okside edilmiş uç kısımları, bu nano yapıları elektron yayılımına uygun hale getirmektedir. Karbon nanotüplerin bu eşsiz özelliği elektronik aletlerde alan yayılım kaynağı olarak kullanılabilir. Bilgisayar ve televizyon ekranı gibi elektronik parçaların, yoğun ışık kaynaklarının ve X-ray kaynaklarının üretiminde ve ya elektron kaynağı katotlarda karbon nanotüplerin bu özelliğinden yararlanılmaktadır. 

mevecenete

Süper kapasitör ve aktüatörler

Karbon nanotüplerin yüksek elektrik iletkenliği ve yüzey alanları, elektrokimyasal cihazların elektrik iletkenliğini ve kapasitelerini attırmak için oldukça uygundur. Karbon nanotüp bazlı kapasitör ve süper kapasitörler, yüksek performans ve yüksek enerji dopalaması gerektiren cihazlarda kullanılır. Bu cihazlar genelde çok duvarlı karbon nanotüplerden yararlansa da bazı çalışmalar karbon nanotüp / polimer kompozitlerinin de yüksek performanslar gösterebileceğini ortaya koymuştur. Yüksek enerji yoğunluklu bu kapasitörler elektrikli araçlarda hızlı ivmelenme ve enerji dopalama sistemlerinde kullanılabilir. Karbon nanotüplerin yüksek elektrik iletkenliği, kapasitörlerin yanı sıra aktüatörlerde de kullanılmaktadır. Aktüatörler elektronik cihazlarda yaygın olarak görülen fakat yüksek ısılarda düşük performans göstermeleri nedeniyle kullanımı sınırlanan elektronik parçalardır. Araştırmacılar, yüksek ısı probleminin önüne geçebilmek amacıyla karbon anotüp bazlı aktüatörler geliştirmeyi amaçlamaktadır. Bu aktüatörlerin 350°C üzerindeki sıcaklıklarda bile düşük akımda çalışabilmesi elektronik cihazlar açısından heyecan verici bir gelişmedir.

Güneş Enerjisi Teknolojileri

Güneş enerjisi günümüzün en çok umut vaat eden alternatif enerji kaynaklarından biri olarak gösteriliyor. Ne yazık ki günümüzün solar enerji teknolojileri, enerji ihtiyaçlarını karşılamakta yetersiz kalmakta ve güneş enerjisinden etkin olarak yararlanamamaktadır. Bu problemlerin üstesinden gelmek amacıyla araştırmacılar, farklı materyaller kullanarak güneş pillerini kullanışlı hale getirmeye çalışmaktadır. Karbon nanotüpler de bu amaçla solar enerji sistemlerine dahil edilebilir. Karbon nanotüpler termal, elektriksel ve mekanik özellikleri sayesinde solar hücrelerin verimliliğini arttırarak yüksek performans sağlamakta kullanılabilirler. Yarı iletken karbon nanotüplerin kullanılmasıyla foton emilimi arttırılarak yüksek fotoakımlar elde edilir ve yararlanılan güneş spektrumunun kapsamı genişletilebilir. Thin film, dye sensitized, ve üç boyutlu güneş pili teknolojileri, karbon nanotüplerin bu özelliklerinden yararlanmaktadır.

Li-ion Piller

Karbon nanotüplerin enerji alanındaki bir başka uygulaması da Li-ion pillerdir. Li-ion piller günümüzde birçok elektronik alette hali hazırda kullanılmaktadır. Ayrıca çalışmalara göre bu piller gelecek teknolojik gelişmelerinde temelinde yatmaktadır ve elektrikli araçların geliştirilmesinde kilit bir role sahiptir. Bu nedenle Li-ion pil teknolojisinin geliştirilmesi önemli bir araştırma konusu haline gelmiştir. Karbon nanotüpler hafif yapıları, geniş yüzey alanları, termal özellikleri, kimyasal özellikleri ve yüksek elektrik iletkenlikleriyle Li-ion pillerde kullanıma uygundur. Karbon nanotüpler lityum iyonlarının aktarımı için uygun nano hatlar oluşturarak metalin verimliliğinin düşmesini engeller ve elektrokimyasal reaksiyonların gerçekleşmesi için destekleyici bir ortam oluşturur. Böylece, pil ömrü ve enerji depolama kapasitesi iyileştirilebilir. Ne kadar gelecek vaat eden sonuçlar ortaya atılmış olsa da, karbon nanotüp içerek Li-ion pil teknolojisi elbette geliştirilmesi gereken ve limitleyici etmenlerin çözümlenmesi gereken bir teknolojidir.

Forklift Batteries | Consider the Benefits of Li-ion | Cat Lift Trucks

Sensörler

Sensörler günümüzde yaygın olarak yararlanılan cihazlardan biridir. Biyomoleküllerin, organik ve inorganik maddelerin tespit edilmesinde kullanılan sensörlerin en önemli özellikleri seçicilik ve hassaslıktır. Yüksek seçicilik ve hassaslık gösteren sensörler, eser miktardaki maddeleri bile tespit edebilir; daha küçük alanlar kaplayarak pratiklik açısından avantaj sağlayabilirler. Karbon nanotüpler geniş yüzey alanları ve yüksek absorbe kapasiteleriyle hassaslık sağlarken, yüzeylerine bağlanan fonksiyonel gruplar sayesinde seçicilik gösterirler. Karbon nanotüplerin bu ilgi çekici özelliklerinden biyosensörlerde ve kimyasal sensörlerde yararlanılmaktadır. NH3, H2O, CO2 ve CO gibi çevre için önem arz eden moleküllerin tespiti için dizayn edilen kimyasal sensörler, karbon nanotüpler kullanılarak daha küçük boyutlarda üretilebilir ve yüksek hassaslık göstererek çok az miktardaki moleküllerin bile tespit edilmesini sağlayabilirler. Karbon nanotüplerin DNA, protein ve ya enzimlerle bir arada kullanıldığı Kompozit materyaller özellikle biyosensör uygulamalarında dikkat çekmektedir.

AI And IoT Lead the Age of Sensor Technology | FierceElectronics

Gaz ve hidrojen depolama teknolojileri

Endüstride sıklıkla kullanılan gazların ve geleceğin enerji kaynağı olarak gösterilen hidrojenin verimli bir biçimde depolanması en çok araştırılan konulardan biridir. Bu gazların sıkıştırılarak depolanması ve taşınması birçok risk içermekte ve bu yüzden dikkatli uygulamalar gerektirmektedir. Depolama teknolojilerinin geliştirilmesi, bu gazların hem güvenli bir biçimde depolanması hem de kontrollü bir biçimde kullanılabilmesi için önemlidir. Karbon nanotüplerin boşluklu yapısı ve yüksek hacim / yüzey alanı oranı, bu maddeyi gaz depolama teknolojileri için uygun bir aday yapmaktadır. Üstelik, kimyasal yöntemlerle modifiye edilen karbon nanotüpler yüksek absorbe özelliği göstererek gaz moleküllerini verimli bir biçimde boşluklu yapısında hapsedebilir edebilir. Karbon nanotüplerin NH3, N2, SF6, H2, Ar gibi gazların depolanmasında kullanılabileceği birçok çalışma tarafından gösterilmiştir. 

Katkı maddesi olarak karbon nanotüpler

Karbon nanotüplerin güçlü mekanik özellikleri ve termal iletkenlikleri farklı maddelerin özelliklerini iyileştirmek için kullanılabilir. Bu amaçla karbon nanotüpler, polimerik ve seramik materyallerin içinde katkı maddesi olarak kullanılmaktadır. Çalışmalara göre, tek ve çok duvarlı karbon nanotüpler seramik ve beton gibi yapı malzemelerinde güçlendirme katkı maddesi olarak kullanıldığında bu maddelerin mekanik özelliklerin ve dayanıklılığı artmıştır. Üstelik, karbon nanotüplerin hafif yapısı nedeniyle yapı malzemelerinde kayda değer bir ağırlaşma görülmemektedir. Karbon nanotüpler, polimer matrikslere katkı maddesi olarak dahil edildiğinde hem polimerlerin özgül çekme katsayısını ve akma mukavemetini hem de termal özelliklerini iyileştirmiştir. Bu polimer fiberler tekstilden uzay uygulamalarına kadar birçok farklı alanda kullanılabilir.

Karbon Nanotüp Nasıl Üretilir?

Karbon nanotüplerin nanoteknoloji dünyasında boy göstermesiyle birlikte ortaya birçok üretim yöntemi atılmıştır. Daha saf ürünler elde edebilmek, fonksiyonlandırılmış nanotüplerin üretmek ve toplu üretime uygun yöntemler geliştirmek adına birçok çalışmalar yapılmıştır. Bugün birçok çalışmada kullanılan nanotüpler kullanım amaçlarına göre katı ve ya gaz halindeki karbondan üretilebilmektedir. Katı karbondan nanotüp üretimi sağlayan yöntemler lazerle aşındırma yöntemi, ark boşaltma yöntemi ve solar fırın yöntemi olarak sıralanabilir. Gaz halindeki karbonu hammadde olarak kullanan yöntemler ise kimyasal buhar çökeltme (CVD), ısıl kimyasal buhar çökeltme (thermal-CVD), plazmayla güçlendirilmiş kimyasal buhar çökeltme, mikrodalga plazmayla kimyasal buhar çökeltme ve buhar fazında büyütmedir. Bu yöntemlere ek olarak hidrotermal sentezleme ve elektroliz yöntemleri de yaygın olarak kullanılmaktadır.

Lazerle aşındırma yöntemi hammadde olarak grafit hedef kullanır. Yüksek basınç ve sıcaklık altında lazer ünitesi bombardımanıyla elde edilen grafit buharı helyum veya argon içeren soy gaz ortamında su soğutmalı bakır toplayıcı üzerinde birikirler. Bu yöntem sonucu bakır levha üzerinde hem karbon nanotüpler hem de karbon nano parçacıklar elde edilir. Her hangi bir katalizör kullanılmaması durumunda çok duvarlı karbon nanotüpler elde edilirken Co, Ni, Fe, Y gibi katalizörler kullanıldığında tek duvarlı karbon nanotüpler elde edilebilir. Görece basit olan bu üretim metot ilk olarak 1995 yılında karbon nanotüp sentezinde kullanılmıştır.

Karbon nanotüp sentezinde ilk kullanılan yöntemlerden biri de ark boşaltma yöntemidir. Katot ve anot olarak kullanılan iki çubuk arasında doğru akımla ark oluşturulmasıyla karbon nanotüp sentezi sağlayan bu yöntem yüksek basınçta ark reaktörü kullanımı gerektirir. Karbon nanotüpler, karbon nano parçacıkları ve karbon kümeleri ile birlikte katot üzerine toplanır. Lazerle aşındırma yönteminde de olduğu gibi, katalizörsüz koşullarda gerçekleştirilen üretimle çok duvarlı karbon nanotüpler elde edilirken Co, Ni, Fe, Y gibi katalizörler kullanıldığında tek duvarlı karbon nanotüpler elde edilebilir.

Solar fırın yöntemi güneş enerjisini kullanmasıyla dikkat çekse de verimsiz bir üretim yöntemi olduğu için sıklıkla kullanılmamaktadır.

Gaz halindeki karbonu hammadde olarak kullanan üretim yöntemleri genelde gelişmiş teknolojiler içermekte ve yüksek verimli üretim yöntemleri olarak tanınmaktadır. Bu üretim yöntemleri, karbon nanotüp üretimi dışında da sıklıkla kullanılmakta olup gün geçtikçe daha da gelişen yöntemlerdir. Kimyasal buhar çökeltme yöntemi nanomateryal üretiminde sıklıkla kullanılan bir metottur. Bu metot, gaz fazındaki hidrokarbon bileşikleri, asetilen, metan ve ya etileni hammadde olarak kullanmaktadır. Bu hammaddeler yüksek sıcaklıklarda ve nitrojen eşliğinde parçalanır. Karbon nanotüpler, bu karbon açısından zengin gazın içerisinde uygun substratlar üzerinde sentezlenir. Kullanılan substratlar katı ise işleme heterojen işlem, reaksiyonlar tamamıyla gaz fazında gerçekleşiyorsa işleme homojen işlem denir. Katalizör olarak genellikle Fe, Co ve Ni gibi geçiş metalleri kullanılır. Karbon nanotüp üretimi ark boşaltma ve lazerle aşındırma yöntemine göre daha düşük sıcaklıklarda gerçekleşir. Bu yöntemin en büyük avantajı karbon öbekleri ve nanopartiküller gibi yan ürünlerin en aza indirilmesi ve sentez yönünün ayarlanmasıyla yüksek miktarlarda karbon nanotüp üretilebilmesidir. Kimyasal buhar çökeltme yöntemi düşük maliyetle seri üretimi mümkün kılabilecek potansiyele sahip olduğu için endüstriyel önem taşımaktadır. Isıl kimyasal buhar çökeltme nano ölçekteki Fe, Co ve Ni parçacıklarının kullanımını içerir. Bu nano katalizörlerin oluşturulması için ısıl kimyasal işlemler kullanılır. Bu yöntem, yüksek kalitede karbon nanotüp üretimi, karbon nanotüp yapısı üzerinde kontrol ve geniş hidrokarbon çeşitliliği gibi avantajlar sağlamaktadır. Plazmayla güçlendirilmiş kimyasal buhar çökeltme yöntemi düşük sıcaklıklarda karbon nanotüp üretimine olanak sağlar. Düşük sıcaklıklarda sentezleme yapıldığı için soda kireci, Si, SiO2, cam gibi altlıkların kullanımına uygundur. Katalizör parçacıkları bu altlıkların üzerine yerleştirilerek karbon nanotüp üretimi sağlanır. Hammadde olarak C2H2, CH4, C2H4, C2H6, CO gibi hafif hidrokarbon gazlar kullanılır. Mikrodalga plazmayla kimyasal buhar çökeltme yönteminde çok duvarlı karbon nanotüpler silikon altlık üzerinde dışarıdan ısı uygulanmadan üretilebilir. Düşük ısılarda sentezleme, karbon nanotüplerin düzgün bir şekilde sıralanabilmesi ve çok düşük miktarda yan ürün oluşumu bu yöntemin avantajlarındandır.

Buhar fazında büyütme yöntemi diğer yöntemlere göre daha yeni bir yöntemdir ve kimyasal buhar çökeltme yönteminin geliştirilmiş hali olarak düşünülebilir. Bu yöntemde metal ya da ferrosen katalizörler hidrokarbon gazı işle birlikte reaktöre enjekte edilir. Sentezleme iki farklı fırında gerçekleştirilir. İlk fırında katalizör maddeler düşük sıcaklıkta buharlaştırılırken ikinci fırında katalizörler üzerinde karbon nanotüp üretimi gerçekleştirilir. Bu yöntem seri üretim için uygun bir yöntem olarak gösterilmektedir.

Hidrotermal üretim yöntemi endüstride petrol sanayi dahil birçok farklı alanda yaygın olarak kullanılır. Bu yöntem çeşitli teknikler kullanılarak sulu çözeltilerden kristal üretimi sağlar. Yüksek basınç altında yapılan sentezleme yöntemi farklı hammaddeler ve ürünler için özelleştirilebilir. Genel olarak üç farklı teknik kullanılmaktadır. Doymuş sulu çözeltiden buharlaştırılan hammadde ısıl fark kullanılarak ve ya çözünülebilirlik farkı kullanılarak kristal haline getirilir. Hemen hemen her hidrokarbon / su çözeltisi hammadde olarak kullanılabilir. Karbon nanotüp sentezinde genellikle bu çözeltinin içine nikel parçacıkları da katalizör madde olarak eklenmektedir. Oluşan çok duvarlı karbon nanotüpler, düzgün sıralanmış bir yapı gösterir.

Elektroliz yönteminde grafit bir anot kullanılarak eriyik lityum klorürün elektrolize edilmesiyle çok duvarlı karbon nanotüpler üretilir. Bu yöntemde karbon nanotüplere ek olarak farklı karbon yan ürünleri de oluşmaktadır.

Görüldüğü gibi karbon nanotüp üretimi için geliştirilen ya da modifiye edilen birçok üretim yöntemi bulunmaktadır. Bu yöntemlerin her biri, istenen karbon nanotüp yapısı ve kullanım amacına göre farklı avantaj ve dezavantajlar sağlamaktadır. Gelecekte atılması gereken en önemli adımlardan biri ise karbon nanotüp sentezinde seri üretime geçilmesidir.

Türkiye’de Karbon Nanotüp Üretimi ve Çalışmaları

Nanoteknoloji ve karbon nanotüplerin baş döndüren esintisi ülkemiz bilim dünyasını da içine almış durumdadır. Türkiye’nin farklı branşlardan meraklı ve yetenekli bilim insanları konu üzerinde çalışmalar ve deneyler yapmış: bilim dünyasına büyük katkılar sağlayan makaleler yayınlamıştır. Nanotüp üretimi ve analizi üzerine yoğunlaşan bu çalışmalar sanayi ölçekli uygulamalar için zemin hazırlamakta Türkiye’nin nanoteknolojideki rolünü ileri taşımaktadır.

Ülkemizde yapılan karbon nanotüp odaklı çalışmalarda başı üniversiteler çekmektedir. Karbon nanotüp ve kompozitlerinin kullanım alanları, karbon nanotüp üretiminde görülen reaksiyon basamakları, reaksiyon hızları ve ürün kaliteleri birçok bilim insanı tarafından derinlemesine araştırılmaktadır. Karbon nanotüp araştırmalarında dikkat çeken ve endüstri alanında umut vaat eden çalışmalar ise bazı kuruluşlar tarafından desteklenmektedir. Bu konular arasında karbon nanotüp / polimer kompozitlerinin kullanıldığı çalışmalar yoğunluk göstermektedir. Karbon nanotüp takviyeli plastik matrisli kompozitlerin sanayide kullanımının yanı sıra karbon nanotüp / metal Kompozit maddeler de kurumların dikkatini çekmektedir. Karbon nanotüp çalışmalarına destek sağlayan bir diğer çalışma ise Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Projesidir. Bu proje kapsamında çeşitli üniversitelerde Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezleri kurulmuş, T. C. Devlet Planlama Teşkilatı tarafından çalışmalara 11 milyon TL kaynak ayırılmıştır. Proje kapsamında prototipler geliştirilmekte, karbon nanotüp kullanım alanları incelenmektedir. Karbon nanotüp çalışmalarında bir diğer katkı da Vizyon 2023 Projesi’nden gelmektedir. Bu proje kapsamında Nanoteknoloji Strateji Grubu yayımlanan “Nanobilim ve Nanoteknoloji Stratejileri” raporu, karbon nanotüp üretimi çalışmalarını ve karbon nanotüplerin enerji ve yakıt hücresi gibi konularda kullanımını öne çıkarmaktadır.

Sonuçlar

Nanoteknoloji ve nano malzemeler geleceğin teknolojik gelişmelerinde önemli bir rol oynamaktadır. Nano boyutta görülen eşsiz özellikler ve kompleks işlemlerin daha küçük alanlarda daha verimli bir şekilde yapılabilmesi, nanoteknolojiyi günümüz biliminin gözde bir konusu haline getirmiştir. 21. Yüzyılda dikkat çeken nano malzemeler arasında bulunan karbon nanotüp birçok araştırmaya konu olmuş farklı buluşlara yol açmıştır. Karbon nanotüpler temelde silindirik yapıda bulunun grafenler olarak tanımlanabilir. Hekzagonal karbon birimlerinden oluşan bu nanotüpler, boşluklu ve hafif bir yapıya sahiptir. Karbon nanotüpler yüksek termal ve elektrik iletkenlikleri, güçlü mekanik özellikleri ve kimyasal özellikleri ile dikkat çekerler. Karbon nanotüpler, hekzagonal birimlerin nanotüp eksenine göre dizilişine bağlı olarak üç gruba ayrılırlar. Bu gruplar koltuk tipi, zig zag tipi ve chiral tip olarak adlandırılır. Farklı dizilişler de farklı elektronik özellikler gözlemlenebilir. Karbon nanotüpler tek duvarlı, çift duvarlı ve ya çok duvarlı bir yapıya sahip olabilirler. Bu malzemelerden saf halde yararlanılabileceği gibi çeşitli özellikler kazandırmak için yüzeyleri fonksiyonel gruplarla dekore edilebilir ya da çeşitli malzemeler ile kompozitler oluşturulabilir. Karbon nanotüpler ve kompozitlerinin kullanım alanları arasında elektronik cihazlar, sensörler, süper kapasitörler ve aktuatörler, medikal uygulamalar, güneş enerjisi uygulamaları, li-ion piller, gaz ve hidrojen depolama teknolojileri bulunur. Bu kullanım alanlarına ek olarak karbon nanotüpler yapı maddeleri içerisinde güçlendirici katkı maddesi olarak da kullanılabilir. Yıllar içinde, farklı kullanım alanları ve karbon nanotüp özelliklerine ulaşmak, daha saf ürünler elde edebilmek, fonksiyonlandırılmış nanotüplerin üretmek ve toplu üretime uygun yöntemler geliştirmek adına farklı karbon nanotüp üretim yöntemleri geliştirilmiştir. Bu üretim yöntemleri lazerle aşındırma yöntemi, ark boşaltma yöntemi ve solar fırın yöntemi kimyasal buhar çökeltme (CVD), ısıl kimyasal buhar çökeltme (thermal-CVD), plazmayla güçlendirilmiş kimyasal buhar çökeltme, mikrodalga plazmayla kimyasal buhar çökeltme, buhar fazında büyütme, hidrotermal sentezleme ve elektroliz yöntemleri olarak sıralanabilir. Karbon nanotüp üretiminde katı ve ya gaz fazındaki karbon içeren hammaddeler ve çoğunlukla geçiş metalleri içeren katalizörler kullanılmaktadır. Her bir üretim yöntemi kendine has avantaj ve dezavantajlara sahiptir. Karbon nanotüp üretimi ve çalışmaları yüksek teknolojik potansiyele sahiptir. Ülkemiz ve dünyada bu potansiyelden yararlanmak için birçok çalışmalar yapılmakta, gelişmeler kaydedilmektedir. Bu zamana kadar karbon nanotüp teknolojileri önemli yollar katetmiş olsa da daha yapılacak çok iş ve yararlanılacak büyük bir potansiyel bulunmaktadır.

Referanslar

  • 1.Küçükyıldırım, B. O., & Eker, A. A. (2012). KARBON NANOTÜPLER, SENTEZLEME YÖNTEMLERİ VE KULLANIM ALANLARI. Engineer & the Machinery Magazine, (630).
  • 2.Gao, C., Guo, Z., Liu, J. H., & Huang, X. J. (2012). The new age of carbon nanotubes: an updated review of functionalized carbon nanotubes in electrochemical sensors. Nanoscale, 4(6), 1948-1963.
  • 3.Ibrahim, K. S. (2013). Carbon nanotubes-properties and applications: a review. Carbon letters, 14(3), 131-144.
  • 4.Balasubramanian, K., & Burghard, M. (2005). Chemically functionalized carbon nanotubes. small, 1(2), 180-192.
  • 5.Moradi, O., Yari, M., Zare, K., Mirza, B., & Najafi, F. (2012). Carbon nanotubes: a review of chemistry principles and reactions. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, 20(2), 138-151.
  • 6.Kumar, U., Sikarwar, S., Sonker, R. K., & Yadav, B. C. (2016). Carbon nanotube: synthesis and application in solar cell. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials, 26(6), 1231-1242.
1st Mar 2021 Hande Gürsel

En Son Yazilar