Grafen Neyi Değiştirebilir? Biz Neyi Değiştirebiliriz?

Her şey bir tesadüfle başladı ama tesadüflerin de bir mantığı olabilir. İki sayı önce yayınladığımız, dünyanın en ünlü endüstri tasarımcılarından James Dyson’ın makalesinde “Grafen” malzemeden şöyle bir söz ediliyordu. Yaklaşık bir ay sonra televizyon karşısında pineklerken, bir bilim insanının herşeyi değiştirebilecek bir malzemeden, Grafen’den bahsettiği kulağıma çalınıverdi. Üstelik, bu biliminsanının, yani Doç. Dr. Selmiye Alkan Gürsel’in, Dr. Burcu Saner Okan ile birlikte Sabancı Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma ve Uygulama Merkezi’nde konu üzerine uluslararası bir projenin bir parçasını çalıştıklarını öğrenince, kendimizi yanlarında buluverdik. Ama dikkat, bu yazı sadece bir bilimsel çalışmayı değil, mavi gezegenin geleceği üzerine her şeyi değiştirebilecek bir hikâyeyi anlatıyor.

Yazı: Barış DOĞRU Fotoğraf: Özgür GÜVENÇ

LEED ve BREEAM sertifikalarını almasa şaşıracağımız Sabancı Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma ve Uygulama Merkezi’nde (SUNUM), iki biliminsanını konuğuyuz bu ay. Tamamen doğal aydınlatmadan yararlanan ve mimarisiyle bir bilim-teknoloji merkezi olduğunu adeta bağıran mekanda, Doç. Dr. Selmiye Alkan Gürsel ve Dr. Burcu Saner Okan, 21. yüzyıla damgasını vuracağını inandığımız bir bilimsel çalışmayı anlatıyorlar. Selmiye Alkan, uzun yıllardır yakıt pilleri üzerine çalışıyor. Burcu Okan ise doktorasını, 1859’dan bu yana üzerinde çalışılmasına karşın, sadece 9 yıl önce bilimsel olarak ortaya konan ve 2010 yılında da “iki-boyutlu grafen malzemesine ilişkin çığır açan deneyleri için” Andre Geim ve Konstantin Novoselov isimli iki biliminsanına 2010 Nobel Fizik Ödülü kazandırmış Grafen üzerine yapmış. Şimdi bu iki bilim insanı, bilgi ve çalışmalarını birleştirerek, Grafen’in yakıt pillerine getireceği muazzam verimliliği ve gelişmeyi ortaya çıkarmaya çalışıyorlar.
Peki, nedir Grafen? Selmiye Alkan yanıtlıyor sorumuzu: “Çelikten 300 kat daha sağlam ama bilinen en hafif ve ince madde. Şimdiye kadar bulunmuş ilk iki boyutlu kristal; üstelik bakırdan kat kat daha yüksek bir iletkenliğe sahip. Karbon bazlı bir malzeme. Aynı grafit ve elmas gibi. Grafen ise, grafitin, bir atom kalınlığına getirilmiş, en ince hali. Çelikten daha sağlam ama bir yandan da esnek. İstediğiniz gibi katlayabilir, bükebilir ve uzatabilirsiniz. Ve tüm bu özellikleri taşıyan başka bir malzeme yok dünyada.”

Seloteyple Gelen Nobel
Doç. Dr. Selmiye Alkan Gürsel ve Dr. Burcu Saner Okan, aslında 17 ülkede sürdürülen devasa bir çalışmanın sadece bir ayağını oluşturuyorlar. Avrupa Komisyonu tarafından kurulan Grafen Amiral Gemisi (Graphene Flagship) koordinasyonunda 18 ülkeden üniversite, 21. yüzyıla damgasını vurabilecek, tıptan otomotive, yakıt pillerinden güneş enerjisi sistemlerine, havacılıktan elektroniğe, kaplama ve boya sektörlerinden iletişime ve sensör araştırmalarına kadar, Grafen gibi bir süper maddenin değişik çalışma alanlarında kullanımını araştırıyor.
Nasıl bulundu peki bu süper madde? “Aslında Grafen’in bulunması son derece basit bir metotla olmuş. Grafit içerikli kurşun kalemi herhangi bir kağıda sürüp, selobantla bastırıp aldığınızda ilk grafen katmanlarını almış oluyorsunuz. Zaten Nobel ödülünü alan bilim insanları da tesadüfen bu yöntemle elde ettiler Grafen’i” diyor Dr. Burcu Saner: “Ancak çok başka maddelerden de Grafen elde edebiliyorsunuz. Mesela çok yüksek sıcaklıklarda, çikolatanın içindeki karbon kaynağından da Grafen’i ortaya çıkarabilirsiniz. 2011 yılında yayınlanan bir bilimsel çalışmada, bisküviden, çimden, hamamböceğinin bacağından da, 1000 derece sıcaklığa ulaştırıp Grafen elde edilebileceğini kanıtladılar.”
Peki, niye grafit dışındaki başka malzemelerden de elde etmeye çalışılıyor Grafen? Saner, “Çeşitlilik yaratmak için. Tabii ki temel hedef, maliyeti düşürmek ve daha ucuza, daha çok Grafen elde etmek. Sözgelimi fiziksel depolama yönteminde yüzde yüz karbon kaynağı gerekiyor. Bu yüzden başka malzemelerden gitmek avantaj sağlıyor” şeklinde yanıtlıyor sorumuzu. “Halihazırda Grafen’in üretimi daha gram veya en çok kilogram seviyesinde. Üretimi artırabilmek ve ucuzlatmak için başlangıç malzemesini değiştirmek gerektiği düşünülüyor.”
Aslında bu anlatılanlar Grafen’in hayatımızın her alanında bulunduğunu gösteriyor. Ve aklımıza, Peter Diamandis ve Steven Kotler’in “Bolluk Çağı” isimli çığır açıcı kitabında anlattığı alüminyum hikâyesini getiriyor. Dünyanın ağırlığının yüzde 8,3’ünü meydana getiren alüminyum, oksijen ile silikondan sonra yeryüzü kabuğundaki en bol element olmasına karşın, boksitin içinden ayrıştırılmasının zorluğu nedeniyle, 19. yüzyıla kadar en pahalı malzemelerden biriydi. Ancak kimyagerlerin, önce cıvayla damıtma, sonra da elektroliz yöntemlerini bulmasıyla, büyük bir alüminyum bolluğuna ulaşıldı ve malzemenin fiyatı bir anda yüzlerce kat ucuzladı. Bugün içtiğimiz tüm meşrubat kutuları alüminyumdan mamul ve atık yığınları tonlarcasıyla dolu. Yani birçok malzemenin değeri, aslında tamamen ona ulaşımın kolaylığı ve pratikliğiyle ilgili. Aynısı Grafen içinde geçerli gibi…

Esnek, İletken, Sağlam ve Saydam
Peki, Grafen kitlesel olarak elde edilebildiğinde ne olacak? Neyi sağlamış olacağız ve daha da ötesi, bizim gibi sürdürülebilirlik takipçileri için bunun önemi ne? “Günlük hayatta birçok alanda uygulamaya geçmesi mümkün diyor” Selmiye Alkan Gürsel, “Sözgelimi esnek, saydam, hafif ve bükülebilir olduğu için optik uygulamalarda, iletişim cihazlarında sonsuz olanaklar taşıyor. Katlanabilir ekranlardan telefonlara, dokunmatik ekranlardan elektronik kâğıtlara kadar, Nokia gibi birçok iletişim firması bu işin peşine düşmüş durumda.” Ama kullanım alanı herhalde bunlarla sınırlı değil. “Elbette” diyor ve heyecanla anlatıyor Alkan: “Grafen, sensör teknolojisini de baştan aşağı değiştirebilir. Ama bizim Burcu ile çalıştığımız asıl alan enerji uygulamaları”.
Grafen Amiral Gemisi organizasyonu, bu çığır açması beklenen malzeme ile ilgili kapsamlı bir işbölümüne gitmiş durumda. Tam 17 ayrı ülkeden üniversitede farklı farklı disiplinlerden ekipler konunun farklı yön ve uygulama alanları üzerinde harıl harıl çalışıyor. Doç. Dr. Selmiye Alkan Gürsel ve Dr. Burcu Saner Okan’e ise bu işbölümünde, enerji uygulamaları düşmüş. “Bazı ekipler, Grafen’in üretimi üzerine çalışıyor. Bizim çalışma alanımız ise tam olarak Grafen’in enerji uygulamalarındaki rolü.” Peki, nedir Grafen’in rolü gerçekten de, 21. yüzyılın sürdürülebilirlik açısından da en önemli sıkıntılarından biri olan enerji konusunda?
“Hem enerji depolama hem de enerji çevrim cihazlarıyla, süper kapasitörlerle ilgili çalışmalar sürüyor ancak bizim odak noktamız şimdilik, yakıt pilleri” diyor Alkan. Zaten 2003 yılından beri bu konuda uzmanlaşmış Alkan. Dr. Burcu Saner Okan ise doktora tezini Grafen üretimi üzerine vermiş. Şimdi bilgi ve deneyimlerini biraraya getiren bu iki değerli biliminsanı, laboratuvar ortamında Grafen kullanarak bir yakıt pilinin elektrotunu denemişler. Ancak bunun değerlendirilmesi ve iyileştirilmesi gerekiyor şimdi. Alkan, “Yakıt pilinin en pahalı parçası, katalizör olarak kullanılan platindir. Sözgelimi, elektrotları, platini çok daha az kullanarak tasarlamak gibi çalışılması gereken bir alan var. Grafen, yüzey alanı çok büyük bir malzeme olduğu için bu alanda çok önemli gelişmeler sağlayabilir” diyor. Dr. Burcu Saner söze giriyor: “Bir gram Grafen’in yüzey alanını yayarak, bir top sahası büyüklüğünde bir yüzey elde edebiliyorsunuz. Bu da, enerji depolamayı daha uçuş ve çok daha verimli hale getirebilir.”
Grafen çok hafif olduğu için, yakıt pillerinin en önemli parçası olan elektrotlar da çok daha hafif hale gelebilecek. Peki bu nasıl bir avantaj sağlayacak? “Tekli bir elektrot hiçbir şeyi çalıştırmayla yetmez; çok sayıda elektrota ihtiyacınız var. Sözgelimi mobil bir uygulamada, bir araçta yakıt pilini kullanabilmek için 500 tane elektrot kullanmanız gerekecek. Bu da ağırlık anlamına gelir. Ama Grafen kullanarak yaptığınız elektrotlar size büyük bir ağırlık avantajı getirecek. Toplam elde ettiğiniz yakıt pili çok daha küçük ve hafif olacak” diyor Selmiye Alkan. Bizim de aklımıza elektrikli arabalar geliyor. “Elbette elektrikli araçlar için büyük bir avantaj sağlayabilir”.

Zamanın Ruhu mu?
Biz her zamanki aceleciliğimizle –tabii bu gezegenin sorunlarının aciliyetinden kaynaklanan bir acelecilik- “Peki bunlar ne zaman uygulamaya geçecek” diye soruyoruz. Bilim insanlarına sorulmaması gereken bir soru elbette. Selmiye Alkan ve Burcu Saner, birbirlerine bakıp gülümsüyorlar. “Bizim projenin ilk fazı, 30 aylık bir süreç. Konu üzerine çalışan, üniversitelerden firmalara kadar uzanan 128 ayrı birim mevcut. Dünyaca ünlü, çok farklı sektörden pek çok firma bu işin içinde ve Grafen’den yararlanmak için ortaya çıkacak sonuçları bekliyor. Dolayısıyla sonuçların ne zaman ortaya çıkacağıyla ilgili somut bir tarih vermek zor ancak önümüzdeki 10 yıllık süreçte birçok şey belli olur diye düşünüyoruz” diyor Alkan. Burcu Saner ise, “Amaç, kullanım alanlarının geliştirilmesiyle birlikte, Grafen’in kitlesel üretiminin de sürece girmesi. Önümüzdeki 10 veya 20 yıl içinde, nasıl gazete kâğıdı üretiliyorsa, Grafen’in de öyle kitlesel olarak üretilebilmesi. Çeşitli uygulamalarda yoğun bir biçimde kullanılabilmesi için bu son derece önemli.”
Peki, bu kadar önemli bir çalıma için iki kişi yeterli mi? Ekibi genişletmeyi düşünüyorlar mı? “Türkiye’den bu sürecin parçası olan tek ekip biziz. Önümüzdeki süreçte bu ekip elbette büyüyecek. Yeni alt projelerle ve TÜBİTAK desteğiyle ekibi genişletmeyi tabii ki düşünüyoruz. Şimdiden bu konuda çalışmak isteyenlerden başvurular gelmeye başladı” diyor Selmiye Alkan.
Peki, umutlular mı? Kimi dönemlerde bazı bilimsel buluşlar önplana çıkar ama sonra unutulup, bilimsel raflarda ilginç çalışmalar olarak kalıverir. “Tabii ki umutluyuz. Dediğiniz gibi bazı bilimsel çalışma alanları popülerlik kazanıverir, moda olur ama Grafen öyle bir şey değil. Bu projenin önümüzdeki 10 yıla ve daha sonrasına damga vuracağına inanıyoruz” diyor her iki biliminsanı da…
Grafen konusunda bilgi sahibi oldukça, “Yoksa bilim imdadımıza yetişiyor mu?” düşünmeye başlıyoruz. Zaten asıl sorun bilim insanlarının merakının nereye doğru gideceğini belirleyen düşünsel iklim, moda deyişle Zeitgeist, zamanın ruhu değil mi? Dünya varolalı beri, insan merak etti. Ama asıl sorun bu merakın hedefi değil miydi? Grafen projesi ve araştırmalarının, “sürdürülebilirlik ikliminde” doğması kesinlikle tesadüf değil. Önümüzdeki yıllarda daha hafif ve dolayısıyla daha verimli araçlar, uçaklar, elektronik ve mekanik cihazlar, kamu sağlığı alanında inanılmaz gelişmeler (kanserli hücreleri algılayan ve bildiren Grafen sensörleri düşünülüyor), bina yalıtım malzemeleri, insan hayatını değiştirecek iletişim araçları, güneş enerjisini çok daha verimli kılacak fotovoltaik uygulamaları, çok verimli ve ucuz yakıt pilleri, son derece önemli bir sorun olan enerjinin depolanması ve şimdi bizim daha aklımıza gelmeyen birçok değişiklik, belki mavi gezegendeki kötü gidişatın da çözüm yollarından biri olacak. Evet bilim kendi başına, herşeyi çözecek nötr bir insani faaliyet alanı değil. Ve evet atom bombasını da biliminsanları yaptı ama, bütün bunları belirleyen biraz da “düşünsel ve sosyal iklim” değil miydi? Grafen herşeyi değiştirebileceği gibi, bizim yaptık ettiklerimiz de sadece Grafen’in değil, tüm bilmisel çalışmaların da yönünü belirleyebilir. Bu yüzden, Doç. Dr. Selmiye Alkan Gürsel ve Dr. Burcu Saner Okan’ı ve hem de diğer 17 ülkede şu anda masalarının, laboratuvarlarının başında iki biliminsanını bir yandan dikkatle izlerken, bir yandan da bu iklimin gelişmesi için uğraşmamız lazım. Belki “iklim tamamen değişir” ve “Akdeniz olur”. Kim bilir?

EKOIQ Dergisi Mart 2013 Sayı: 27