Periyodik tablonun on dördüncü grubunda yer alan, atomik numarası altı olan ve C harfiyle sembolize edilen karbon, antik çağlardan beri insanlar tarafından bilinen ender elementlerdendir. Karbon kelimesi Latince Carbo kelimesinden türetilmiş olup kömür anlamına gelmektedir. Yaşamın temelini oluşturan ve dünya kabuğunda en çok bulunan on beşinci element olan karbon, kütle olarak ele alındığında evrende hidrojen, helyum ve oksijenden sonra en çok bulunan dördüncü elementtir.
Karbon dev yıldızların çekirdeklerinde üçlü alfa olarak adlandırılan bir süreç sonucunda oluşmuştur. Yıldızların yapılarında bulunan hidrojen atomunun tükenmesiyle birlikte yıldızda meydana gelen küçülmeyle çekirdek sıcaklıkları 100 milyon santigrat değerlerine ulaşır. Bu da karbon oluşumu için gerekli koşulların sağlanmasına neden olur. Güneşin çekirdek sıcaklığının yaklaşık altı katına tekabül eden bu sıcaklıklarda iki helyum atomunun füzyonu sonucu oluşan berilyum başka bir helyum atomuyla birleşerek karbon atomunu meydana getirir. Üç tane helyum atomunun dâhil olduğu bu süreç üçlü alfa süreci olarak adlandırılmıştır. Bu dev yıldızların ömürlerini tamamlayıp süpernova adı verilen patlamalarla yok olmalarıyla birlikte çekirdeklerinde bulunan karbon toz olarak uzaya dağılmaktadır. Uzaya dağılan bu toz birleşerek gezegenleri oluşturur ve farklı yıldız sistemlerinin oluşum süreçlerinde kritik rol oynar. İçinde bulunduğumuz güneş sistemi de bu yıldız sistemlerinden birisidir ve karbon, canlılığın oluşumunda temel bileşen olmuştur.
Karbonun insanlar arasında en bilinen formu olan kömür, yeryüzünde milyonlarca yıl önce oluşmuştur. Genel olarak kömür denilince siyah taş görünümüne sahip formlar akla gelse de kömürün de pek çok farklı türü bulunmaktadır. Kömürün kendi içerisinde farklı türlere ayrışmasındaki en önemli etmen sahip olduğu karbon miktarıdır. Karbon miktarının yüzde 50 ile yüzde 60 arasında değişim gösterdiği kömür oluşumları turba ya da torf olarak isimlendirilir. Karbon, miktarının düşüklüğü nedeniyle düşük nem altında yakılabilir özelliktedir. İçindeki karbon miktarının yüzde 70’ler civarında olduğu kömür formlarına ise linyit adı verilmektedir. Karbon miktarının görece olarak düşük olması nedeniyle ısınma amaçlı kullanımı verimli değildir ve yüksek derecede hava kirliliğine sebep olmaktadır. Bu nedenle daha çok termik santrallerde elektrik üretimi için yakıt olarak kullanılmaktadır. Daha uygun koşullarda daha verimli bir yanma gerçekleştiğinden ve baca gazı filtreleme gibi teknolojilerin kullanılabilirliğinden dolayı bu alanda daha uygun bir şekilde kullanılabilmektedir. Ülkemizde de çıkarılan kömürün yüksek miktarı bu türdendir. Karbon miktarının yüzde 90’a kadar ulaştığı kömür türlerine ise taş kömürü adı verilir. İçinde bulunan karbon miktarı yüksek olduğu için daha verimli bir şekilde yanma performansı göstermektedir. Karbon miktarının yüzde 92 ile yüzde 98 arasında değiştiği kömürün en değerli formuna ise antrasit ismi verilir. Kömürün bu formu enerji ve demir çelik endüstrisinde ağırlıklı olarak kullanılmaktadır.
Karbon atomlarının uzayda konumlanmalarındaki farklılıklar, birbirlerinden çok farklı fiziksel özellikte karbon formu oluşmasını sağlamaktadır. Düzenli ve periyodik olarak kendini tekrar eden örgülerle bağlandığı Şekil 1’de çizimleri gösterilen bu kristal yapılara C atomunun allotropları denir. Grafit ve elmas ilk çağlardan beri iyi bilinen allotroplardır. Karbonun hekzagonal kristal kafes yapısında bulunduğu form olan grafitte, karbon atomları en yakın üç komşusuna 120 derecelik açılarla sp2 hibritleşmesi yaparak bağlanırlar ve katmanlı bir halde istiflenirler. Bu formda katmanlar üzerinde bulunan hareketli elektronlar elektriksel iletken özellik göstermesine neden olur.
Grafitte karbon atomlarının birbirleriyle olan bağları güçlü olmasına karşın, katmanlar birbirlerine zayıf bağlarla bağlıdır. Bu nedenle katmanlar kolaylıkla birbirleri üzerinden kayarak farklı yüzeylere depozit edilebilir. Bu nedenle de Şekil 2’de görüleceği üzere grafitin kalem ucu olarak kullanımı yaygındır.
Grafitin çok yüksek basınç ve sıcaklığa maruz kalmasıyla karbonun en değerli formu olan elmas oluşur. Elmas tetragonal yapıda olup karbon atomu en yakınındaki dört ayrı karbona 109,5 derecelik açı ile bağlı olarak sp3 hibritleşmesi yapar. Üç boyutlu ağ formundaki elmas yapısında elektronlar yapı içinde hareket edemez. Böylece elmas, grafitin aksine elektriksel iletkenliği olmayan bir malzeme olarak karşımıza çıkar. Aynı zamanda, bu güçlü dört yüzlü yapı nedeniyle elmas bilinen en sert malzemedir. Bu sebeple kesme ve parlatma gibi endüstriyel uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Sentetik elmas yüksek basınç–yüksek sıcaklık tekniği adı verilen bir prosesle endüstriyel olarak üretilebilmektedir.
NANOKARBON ÇAĞI
Peki, evrenin her yerinde bulunan yıldız tozu, gezegenimizin kaya katmanlarında, fosillerde, çok farklı formlarda bulunan bu değerli madde 21. yüzyıla gelindiğinde ne oluyor da ödüle doyamıyor? 1959 yılına geldiğimizde, Amerika Fizik Topluluğu’nun (APS) her sene düzenli olarak gerçekleştirdiği toplantısında, ünlü fizikçi Richard Feynman nanoteknolojinin temeline atıfta bulunarak “There’s Plenty of Room at the Bottom” başlıklı konuşmasında ilk defa nano boyuta dikkat çekmiştir. 1959’dan 1985’e gelene kadar bu vizyoner bakışın ne anlama geldiğinin çok üzerinde durulmamış, bir elin parmaklarını geçmeyecek sayıda yaklaşımlarda bulunulmuştur. 1985’te karbonun bir diğer allotropu olan nanokarbon aile üyesi Buckminsterfulleren ya da kısaca fulleren keşfedilmiştir. Fullerenlerin keşfi ile nano malzeme dünyasının kapıları aralanmaya başlanır. Fullerenler 60 adet karbon atomunun bir araya gelmesiyle oluşur ve bu nedenle C60 olarak sembolize edilir. Robert Curl, Harold Kroto ve Richard Smalley tarafından yapılan deneyde lazer buharlaştırma yöntemi kullanılarak grafit yüzeyinden karbon atomu buharlaştırılmış ve yüksek yoğunluklu helyum gazı içerisinden geçirilip soğutularak karbon kümelenmelerinin oluşturulması sağlanmıştır. Oluşan kümelenmelerin incelenmesi sonucu C60 formunun çoğunlukta olduğunu bulmuşlardır. C60’ın kafesli bir yapıya ve yaklaşık 1,1 nm’lik (1 metrenin milyarda biri) çapa sahip olduğunu fark edene kadar, birçok yapı önerisinde bulunan ekip; ünlü Amerikalı mimar Buckminster Fuller’in tasarladığı jeodezik kubbelerden ve Smalley’in çalışmalar esnasında buruşturduğu kâğıt bir toptan esinlenmiştir. En nihayetinde on iki adet beşgen ve yirmi adet altıgenden oluşan futbol topu yapısında olduğunu keşfetmişlerdir. Bu sebeple Şekil 4’te görülen sp2 hibritli bu kafes yapıya Buckminsterfulleren ismi verilmiştir. Bu yapıyı keşfeden araştırmacılar Kroto, Curl ve Smalley 1996 yılında Nobel Kimya Ödülü’ne layık görülmüştür.
1991 yılına gelindiğinde, fullerenlerle ilgili deneyler akademik camiada yaygınlaşmış, organik süperiletkenler arasında rapor edilen en yüksek süperiletken kritik sıcaklığa sahip ilk fulleren süperiletken malzeme (Cs₃C₆₀) keşfedilmiştir.
Diğer bir taraftan yine aynı yıl içinde Japon araştırmacı Sumio Iijima, fullerenlerle ilgili çalışmalar yürütmüştür. Iijima bu molekülün esnetilmiş bir şekli olan karbon nanotüpleri keşfederek, elektron mikroskobuyla görüntülemeyi başarabilmiştir. Karbon nanotüpler, yine altıgen kristal örgü içerisinde konumlanan sp2 hibritli karbon atomlarından oluşmaktadır. Tek duvarlı boru şeklindeki karbon nanotüplerden başka olarak iç içe geçmiş birden fazla duvar sayısına sahip çok duvarlı karbon nanotüpler üzerine aynı yıl Nature’da çok duvarlı karbon nanotüplerin keşfine yönelik mihenk taşı olan bir makale yayınlanmıştır. Böylece karbon nanotüpler, nanoteknolojinin sahne ışıkları altında parlamaya başlamıştır.
2004 yılında ise, Manchester Üniversitesi araştırmacılarından Kostya Novoselov ve Andre Geim isimli bilim insanları basit bir selobant ile grafit tabakalarından tek tabaka grafiti ayırarak, özelliklerine bakmışlardır. Bu sayede bir diğer nanokarbon ailesi üyesi olan tek atom kalınlığındaki Şekil 6’da görülen grafen keşfedilmiştir. Bu iki Rus asıllı bilim insanı grafen üzerinde bulunan elektronların -en basit haliyle tanımlayacak olursak- kütlesiz ve ışık hızına yakın parçacıklar gibi hareket ettiğini göstermişlerdir. Peki, bu parçacıklar nereye dikkati çekip, neden bu kadar heyecan uyandırmışlardır? Yine altıgen köşelerine oturan karbon atomlarının sp2 hibritleşmesine sahip orbitallerindeki elektronlar A4 kâğıdı gibi düzlemsel olarak düşünebileceğimiz iki boyutlu bir sistem içerisinde hareket ederler. Bu elektronik yapı çok hızlı aygıtlar, transistörler vb. cihazlar yapabileceğimiz anlamına gelip, mevcut teknolojilerin daha hızlı, daha etkin bir şekilde ileriye taşınmasını sağlar. İşte bu hareket sayesinde bant aralığı mühendisliğine açık, tek tabakalı yapıda, şeffaf, esnek olması sebebiyle grafen; elektronik/optoelektronik, nanokompozitler ve enerjiye yönelik çok yönlü uygulamalarda çığır açan bir teknolojiyi işaret ettiğinden 2010 yılında Kostya Novoselov ve Andre Geim’e Nobel Fizik Ödülü’nü aldırmıştır.
Keşfedilen ilk iki boyutlu malzeme olan grafen ile buzdağının zirvesinin gözüktüğü ve bununla ayrı bir nanoteknoloji kırınımı başlattığını söylemek doğru olacaktır. Bir kömür tanesi ile başlayan bu hikâye, günümüzde başka iki boyutlu malzeme(ler) keşfedebilir mi sorusuyla gözlerimizi periyodik cetvele çevirmemize sebep olmaktadır. Karbon atomunun periyodik tabloda hemen iki yanında yer alan B ve N atomları ile tek atom kalınlığında h-BN sentezlenmiş, ardından C’nun altında bulunan aynı grup elementlerinden silisen, germanyen, stanen keşfedilmiştir. Sahne, geçiş metal dikalkojenidleri ve M-Xene’ler ile giderek kalabalıklaşmaktadır. Tüm bu malzemeler yalıtkandan süperiletkene değişen bant yapısına sahip, farklı mekanik, optik özellikler sergilemektedir. Görüldüğü gibi iki boyutlu malzemeler nanoteknolojinin odağına oturmuş vaziyette, kendilerini ve özelliklerinin keşfedilmelerini beklemektedir.
Karbon dev yıldızların çekirdeklerinde üçlü alfa olarak adlandırılan bir süreç sonucunda oluşmuştur. Yıldızların yapılarında bulunan hidrojen atomunun tükenmesiyle birlikte yıldızda meydana gelen küçülmeyle çekirdek sıcaklıkları 100 milyon santigrat değerlerine ulaşır. Bu da karbon oluşumu için gerekli koşulların sağlanmasına neden olur. Güneşin çekirdek sıcaklığının yaklaşık altı katına tekabül eden bu sıcaklıklarda iki helyum atomunun füzyonu sonucu oluşan berilyum başka bir helyum atomuyla birleşerek karbon atomunu meydana getirir. Üç tane helyum atomunun dâhil olduğu bu süreç üçlü alfa süreci olarak adlandırılmıştır. Bu dev yıldızların ömürlerini tamamlayıp süpernova adı verilen patlamalarla yok olmalarıyla birlikte çekirdeklerinde bulunan karbon toz olarak uzaya dağılmaktadır. Uzaya dağılan bu toz birleşerek gezegenleri oluşturur ve farklı yıldız sistemlerinin oluşum süreçlerinde kritik rol oynar. İçinde bulunduğumuz güneş sistemi de bu yıldız sistemlerinden birisidir ve karbon, canlılığın oluşumunda temel bileşen olmuştur.
Karbonun insanlar arasında en bilinen formu olan kömür, yeryüzünde milyonlarca yıl önce oluşmuştur. Genel olarak kömür denilince siyah taş görünümüne sahip formlar akla gelse de kömürün de pek çok farklı türü bulunmaktadır. Kömürün kendi içerisinde farklı türlere ayrışmasındaki en önemli etmen sahip olduğu karbon miktarıdır. Karbon miktarının yüzde 50 ile yüzde 60 arasında değişim gösterdiği kömür oluşumları turba ya da torf olarak isimlendirilir. Karbon, miktarının düşüklüğü nedeniyle düşük nem altında yakılabilir özelliktedir. İçindeki karbon miktarının yüzde 70’ler civarında olduğu kömür formlarına ise linyit adı verilmektedir. Karbon miktarının görece olarak düşük olması nedeniyle ısınma amaçlı kullanımı verimli değildir ve yüksek derecede hava kirliliğine sebep olmaktadır. Bu nedenle daha çok termik santrallerde elektrik üretimi için yakıt olarak kullanılmaktadır. Daha uygun koşullarda daha verimli bir yanma gerçekleştiğinden ve baca gazı filtreleme gibi teknolojilerin kullanılabilirliğinden dolayı bu alanda daha uygun bir şekilde kullanılabilmektedir. Ülkemizde de çıkarılan kömürün yüksek miktarı bu türdendir. Karbon miktarının yüzde 90’a kadar ulaştığı kömür türlerine ise taş kömürü adı verilir. İçinde bulunan karbon miktarı yüksek olduğu için daha verimli bir şekilde yanma performansı göstermektedir. Karbon miktarının yüzde 92 ile yüzde 98 arasında değiştiği kömürün en değerli formuna ise antrasit ismi verilir. Kömürün bu formu enerji ve demir çelik endüstrisinde ağırlıklı olarak kullanılmaktadır.
Karbon atomlarının uzayda konumlanmalarındaki farklılıklar, birbirlerinden çok farklı fiziksel özellikte karbon formu oluşmasını sağlamaktadır. Düzenli ve periyodik olarak kendini tekrar eden örgülerle bağlandığı Şekil 1’de çizimleri gösterilen bu kristal yapılara C atomunun allotropları denir. Grafit ve elmas ilk çağlardan beri iyi bilinen allotroplardır. Karbonun hekzagonal kristal kafes yapısında bulunduğu form olan grafitte, karbon atomları en yakın üç komşusuna 120 derecelik açılarla sp2 hibritleşmesi yaparak bağlanırlar ve katmanlı bir halde istiflenirler. Bu formda katmanlar üzerinde bulunan hareketli elektronlar elektriksel iletken özellik göstermesine neden olur.
Grafitte karbon atomlarının birbirleriyle olan bağları güçlü olmasına karşın, katmanlar birbirlerine zayıf bağlarla bağlıdır. Bu nedenle katmanlar kolaylıkla birbirleri üzerinden kayarak farklı yüzeylere depozit edilebilir. Bu nedenle de Şekil 2’de görüleceği üzere grafitin kalem ucu olarak kullanımı yaygındır.
Grafitin çok yüksek basınç ve sıcaklığa maruz kalmasıyla karbonun en değerli formu olan elmas oluşur. Elmas tetragonal yapıda olup karbon atomu en yakınındaki dört ayrı karbona 109,5 derecelik açı ile bağlı olarak sp3 hibritleşmesi yapar. Üç boyutlu ağ formundaki elmas yapısında elektronlar yapı içinde hareket edemez. Böylece elmas, grafitin aksine elektriksel iletkenliği olmayan bir malzeme olarak karşımıza çıkar. Aynı zamanda, bu güçlü dört yüzlü yapı nedeniyle elmas bilinen en sert malzemedir. Bu sebeple kesme ve parlatma gibi endüstriyel uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Sentetik elmas yüksek basınç–yüksek sıcaklık tekniği adı verilen bir prosesle endüstriyel olarak üretilebilmektedir.
NANOKARBON ÇAĞI
Peki, evrenin her yerinde bulunan yıldız tozu, gezegenimizin kaya katmanlarında, fosillerde, çok farklı formlarda bulunan bu değerli madde 21. yüzyıla gelindiğinde ne oluyor da ödüle doyamıyor? 1959 yılına geldiğimizde, Amerika Fizik Topluluğu’nun (APS) her sene düzenli olarak gerçekleştirdiği toplantısında, ünlü fizikçi Richard Feynman nanoteknolojinin temeline atıfta bulunarak “There’s Plenty of Room at the Bottom” başlıklı konuşmasında ilk defa nano boyuta dikkat çekmiştir. 1959’dan 1985’e gelene kadar bu vizyoner bakışın ne anlama geldiğinin çok üzerinde durulmamış, bir elin parmaklarını geçmeyecek sayıda yaklaşımlarda bulunulmuştur. 1985’te karbonun bir diğer allotropu olan nanokarbon aile üyesi Buckminsterfulleren ya da kısaca fulleren keşfedilmiştir. Fullerenlerin keşfi ile nano malzeme dünyasının kapıları aralanmaya başlanır. Fullerenler 60 adet karbon atomunun bir araya gelmesiyle oluşur ve bu nedenle C60 olarak sembolize edilir. Robert Curl, Harold Kroto ve Richard Smalley tarafından yapılan deneyde lazer buharlaştırma yöntemi kullanılarak grafit yüzeyinden karbon atomu buharlaştırılmış ve yüksek yoğunluklu helyum gazı içerisinden geçirilip soğutularak karbon kümelenmelerinin oluşturulması sağlanmıştır. Oluşan kümelenmelerin incelenmesi sonucu C60 formunun çoğunlukta olduğunu bulmuşlardır. C60’ın kafesli bir yapıya ve yaklaşık 1,1 nm’lik (1 metrenin milyarda biri) çapa sahip olduğunu fark edene kadar, birçok yapı önerisinde bulunan ekip; ünlü Amerikalı mimar Buckminster Fuller’in tasarladığı jeodezik kubbelerden ve Smalley’in çalışmalar esnasında buruşturduğu kâğıt bir toptan esinlenmiştir. En nihayetinde on iki adet beşgen ve yirmi adet altıgenden oluşan futbol topu yapısında olduğunu keşfetmişlerdir. Bu sebeple Şekil 4’te görülen sp2 hibritli bu kafes yapıya Buckminsterfulleren ismi verilmiştir. Bu yapıyı keşfeden araştırmacılar Kroto, Curl ve Smalley 1996 yılında Nobel Kimya Ödülü’ne layık görülmüştür.
1991 yılına gelindiğinde, fullerenlerle ilgili deneyler akademik camiada yaygınlaşmış, organik süperiletkenler arasında rapor edilen en yüksek süperiletken kritik sıcaklığa sahip ilk fulleren süperiletken malzeme (Cs₃C₆₀) keşfedilmiştir.
Diğer bir taraftan yine aynı yıl içinde Japon araştırmacı Sumio Iijima, fullerenlerle ilgili çalışmalar yürütmüştür. Iijima bu molekülün esnetilmiş bir şekli olan karbon nanotüpleri keşfederek, elektron mikroskobuyla görüntülemeyi başarabilmiştir. Karbon nanotüpler, yine altıgen kristal örgü içerisinde konumlanan sp2 hibritli karbon atomlarından oluşmaktadır. Tek duvarlı boru şeklindeki karbon nanotüplerden başka olarak iç içe geçmiş birden fazla duvar sayısına sahip çok duvarlı karbon nanotüpler üzerine aynı yıl Nature’da çok duvarlı karbon nanotüplerin keşfine yönelik mihenk taşı olan bir makale yayınlanmıştır. Böylece karbon nanotüpler, nanoteknolojinin sahne ışıkları altında parlamaya başlamıştır.
2004 yılında ise, Manchester Üniversitesi araştırmacılarından Kostya Novoselov ve Andre Geim isimli bilim insanları basit bir selobant ile grafit tabakalarından tek tabaka grafiti ayırarak, özelliklerine bakmışlardır. Bu sayede bir diğer nanokarbon ailesi üyesi olan tek atom kalınlığındaki Şekil 6’da görülen grafen keşfedilmiştir. Bu iki Rus asıllı bilim insanı grafen üzerinde bulunan elektronların -en basit haliyle tanımlayacak olursak- kütlesiz ve ışık hızına yakın parçacıklar gibi hareket ettiğini göstermişlerdir. Peki, bu parçacıklar nereye dikkati çekip, neden bu kadar heyecan uyandırmışlardır? Yine altıgen köşelerine oturan karbon atomlarının sp2 hibritleşmesine sahip orbitallerindeki elektronlar A4 kâğıdı gibi düzlemsel olarak düşünebileceğimiz iki boyutlu bir sistem içerisinde hareket ederler. Bu elektronik yapı çok hızlı aygıtlar, transistörler vb. cihazlar yapabileceğimiz anlamına gelip, mevcut teknolojilerin daha hızlı, daha etkin bir şekilde ileriye taşınmasını sağlar. İşte bu hareket sayesinde bant aralığı mühendisliğine açık, tek tabakalı yapıda, şeffaf, esnek olması sebebiyle grafen; elektronik/optoelektronik, nanokompozitler ve enerjiye yönelik çok yönlü uygulamalarda çığır açan bir teknolojiyi işaret ettiğinden 2010 yılında Kostya Novoselov ve Andre Geim’e Nobel Fizik Ödülü’nü aldırmıştır.
Keşfedilen ilk iki boyutlu malzeme olan grafen ile buzdağının zirvesinin gözüktüğü ve bununla ayrı bir nanoteknoloji kırınımı başlattığını söylemek doğru olacaktır. Bir kömür tanesi ile başlayan bu hikâye, günümüzde başka iki boyutlu malzeme(ler) keşfedebilir mi sorusuyla gözlerimizi periyodik cetvele çevirmemize sebep olmaktadır. Karbon atomunun periyodik tabloda hemen iki yanında yer alan B ve N atomları ile tek atom kalınlığında h-BN sentezlenmiş, ardından C’nun altında bulunan aynı grup elementlerinden silisen, germanyen, stanen keşfedilmiştir. Sahne, geçiş metal dikalkojenidleri ve M-Xene’ler ile giderek kalabalıklaşmaktadır. Tüm bu malzemeler yalıtkandan süperiletkene değişen bant yapısına sahip, farklı mekanik, optik özellikler sergilemektedir. Görüldüğü gibi iki boyutlu malzemeler nanoteknolojinin odağına oturmuş vaziyette, kendilerini ve özelliklerinin keşfedilmelerini beklemektedir.
