karbon

• malzeme açısından önemli bir elementlerden biridir. organik kimyadaki bir çok konudan, katı polimerik malzemelere oradan da mekanik ve elektronik teknolojisine yön vermiş bir elementtir. bu yazıda karbon teknolojilerini anlatmaya çalışacağım
  
  --- spoiler ---
  periyodik cetvelin yıldızı 4a grubu
  --- spoiler ---
  bu elementin neden özel olduğunu anlamak için öncelikli olarak periyodik cetveldeki yerine bakmak gerekir. karbon 4a grubunun başında yer alır. 4a grubu büyülü bir gruptur. karbonla başlar, silisyum ve germanyumla devam eder. gruptaki her element teknolojiye bir adım atlatmıştır. peki neden?
  
  bilmeyenler için periyodik cetvelde yukarıdan aşağıya metalik özellikler artar, yani karbon 4a içinde en ametalik elementtir. son yörüngesinde 4 adet elektrona sahip element ametal karaktere sahip olursa ne olur? bu elektronları vermek yerine güçlü kovalent bağlar yapmayı tercih eder. kabuk yapısı sebebiyle hibritleşme ile 2li (sp) 3lü(sp2) veya 4lü(sp3) bağ yapabilir ve bunlar karbonu ve altındakileri özel malzemeler yapan temel nedenlerdir.
  
  --- spoiler ---
  karbon teknolojisi
  --- spoiler ---
  karbonun kullanımını c-h-o elementleriyle ortaya çıkan plastikler veya tek başına karbon kullanımıyla ortaya çıkan ürünler olarak 2'e ayırabiliriz. altta daha çok karbon elementinin tek başına malzeme dünyasına nasıl yön verdiği üstüne bir şeyler anlatacağım.
  
  karbon'un tek başına yine hibritleşme sayesinde uzayda farkı şekillerde dizilebilir. bir element farklı basınç ve sıcaklık altında farklı sayıda bağ ile yeni bir şekil(kristal yapı) ortaya çıkartabiliyorsa buna allotropi denir.
  
  mekanik ve elektronik anlamda çağ atlatan bu ürünleri grafit, grafen, elmas, fulleren ve karbon nanotüp olarak sınıflandırabiliriz.
  
  --- spoiler ---
  grafit ve elmas nedir?
  --- spoiler ---
  80'li yıllara kadar karbonun popüler 3 allotropu bilinmekteydi, bunlar amorf karbon, grafit ve elmastı.
  
  grafit ve elmas karbondan oluşmasına rağmen grafit dünyadaki en yumuşak maddelerden biri, elmas ise en sert maddedir. 1-10 arasında değer alan ve sertlik sıralaması yapmamızı sağlayan mohs skalasında "10" ile temsil edilir. element aynıyken bu fark neden kaynaklanır? bunu atomların uzay dizilimine bakarak kolayca yorumlayabiliriz:
  şekil: grafit vs elmas (wiki)
  
  şekilde; solda görüldüğü üzere tek elmas atomu 4 bağ yapmıştır ki karbonun yapacağı maksimum sayıdır (4a grubu=4 bağ). 4 elektronda güçlü kovalent bağlarla birbirine tutunur ve güçlü bir 3 boyutlu iskelet oluşturur(buna sp3; yani s'den 1; p'den 3 elektron). hiç bir köşeden bağlara zarar veremezsiniz, bu yüzden çok serttir.
  
  --- spoiler ---
  görsel ve aşındırıcı özelliğiyle elmas
  --- spoiler ---
  elmas görsel niteliğiyle veya sertliği sebebiyle bir şeyleri kesmek için kullanılır. örneğin testere, taşlama veya kesici matkap uçları elmasla kaplanır. peki elmas pahalı bir takıyken nasıl oluyor da ucuza satın alınabiliyor? burada mesele kristal şeklidir, kaplama olarak kullanılan elmas birkaç mikron kalınlığında sadece yüzeye kaplanırken, takı olarak kullanılan elmas doğal yollarla elde edilir. kristal yapısı mükemmel görünmelidir. oysaki yapay olarak bir elması -çalışmalar yapılıyor olsa da- bu formatta üretmeniz zordur.
  
  şekilde sağdaki grafite baktığımızda karbon atomlarının düzlemsel olarak birbirine 3 adet bağ ile bağlandığını görürüz ki buna sp2(s'den 1, p'den 2 elektron) hibritleşmesi diyoruz. haliyle 1 elektron bağ yapamamıştır ve düzlemler arası zayıf van der waals bağlarıyla birbirine tutunur. bunun fiziksel sonuçları nedir?
  
  a) van der waals kuvvetleri fizikseldir ve mekanik kuvvetle kırılır, örneğin bir kalem ucu yaparsanız düzlem tabakaları halinde kağıda iz bırakabilirsiniz. makro boyutta çizgi olarak görünse de yeteri kadar büyütürseniz; şeklinde altıgenlerden oluştuğunu görürsünüz.
  (bkz: geçirmeli elektron mikroskobu/@karanlikruya) ^*
  
  b) 4 elektronu olan bir yapının 3 elektronu bağ yapar da 1 tanesi açıkta kalırsa ne olur? bu elektron iletkenlik sağlar. yani grafit, aynı bakır gibi iletkendir. eskiden amd işlemci kullananlar bilir, çarpan kilidini kırmak için kalem ucuyla işlemci üstüne köprüleme yapardık. o zamanlar kalem ucu nasıl iletken diye hiç düşünmemiştim. hey gidi. günümüzde kalemler grafit-kil karışımından yapılsa da (2si de düzlemsel dilimli yapıya sahiptir), iletkenlik kısmından grafit sorumludur.
  
  --- spoiler ---
  sp2 ve sp3 hibritleşmesinin karbon üstündeki etkisi
  --- spoiler ---
  alttaki kavramları anlatabilmem için önemli fakat kısa bir bilgi vereyim: bu allotroplardaki en büyük mesele sp2 yapısına kavuşmak ve van der waals bağlarından kurtulmaktır. çünkü sp2 daha kararlıdır. bunun da sebebi sp2'nin sp3'e göre s orbitalinin etkinliğinin artması olarak açıklanabilir. bilindiği gibi s orbitali merkeze daha yakındır ve çekirdek tarafından daha güçlü şekilde çekilmektedir ve p orbitainin etkinliği(sp3'de p orbitalinin 3 elektronu etkin) azaldıkça yapı daha kararlı hale gelmektedir. (kimyadan hatırlayalım c=1s2 2s2 2p2=
  
  --- spoiler ---
  grafen nedir?
  --- spoiler ---
  grafenin ikayesi ilginçtir. uzun süre boyunca kristalllerin 2 boyutlu olamayacağı düşünülürdü fakat üstte hatırlayın kağıda iz bırakan grafit 2 boyuta sahipti. işte 2004 yılında 2 bilim adamının(andre geim, kostya novoselov) ekibi basit bir deney yapar; bir seloteyp üstüne grafiti yapıştırıp çekerler, ardından optik ve geçirmeli elektron mikroskobu altında incelerler. sonuçta düzlemsel tek tabaklı bir yapı olduğunu fark edilir. aslında benzer yapılar önceden tespit edilse de 50-100 tabakanın keşfi ancak bu sayede olur.yalnız seloteyple ancak 100 mikron boyutunda grafen üretilebilmektedir. nano boyutta üretim için kimyasal buhar biriktirme gibi ileri tekniklere ihtiyaç duyulmaktadır. bu keşif 2010'da geim ve novoselov'a nobel ödülü kazandırmıştır.
  
  --- spoiler ---
  karbon nanotüp nedir?
  --- spoiler ---
  1991 tarihinde sumio iijima tarafından grafitten üretilmiştir.nanotüp tarihi tarihsel gelişmede katı yöntemler(lazer, ark boşaltım), gaz yöntemler(kimyasal buhar biriktirme yöntemleri) üretilmektedir. şuradan inceleyebilirsiniz.
  grafen sonrası ise her şey kolaylaşıyor ve bilim adamları şunu düşünüyor: "nanotüp aslında dürüm yapılmış bir grafendir." tanım olarak 1 boyutlu fakat 1e 1000 çerçeve oranına sahip bir malzeme tipidir. (altta anlatacağım fulleren de karbon nanotüplere neden olan diğer gelişmedir.)
  
  bu tüpün farklı cinsleri mevcut. eğer tek katmanlı grafeni dürüm yaparsanız tek duvarlı, çok katmanlı grafenleri dürüm yaparsanız çok duvarlı nanotüpler ortaya çıkar. tahmin edeceğiniz gibi küçük boyutları sebebiyle tek duvarlıyı üretmek daha zordur, bu sebeple sıklıkla çok duvarlı tercih edilmektedir. altta tek ve çok duvarlı nanotüplerin geçirmeli elektron mikroskobu görüntülerini inceleyebilirsiniz.
  karbon nanotüp tem görüntüleri
  tek ve çok duvarlı nanotüpler (referans)
  
  tek duvarlı karbon nanotüplerin iletkenliği de nasıl dürüm yaptığınıza bağlı olarak değişmektedir. bu sayede iletken veya yarı-ilerken üretebilir ünlü silisyum elementi yerine kullanabilirsiniz. bu arada ilgili diğer bir yazım:
  ekşi şeyler: malzeme devrimi sağlayan malzemeler
  
  nanotüplerin iletkenliğini karbonların yerini göstermekte kullandığımız kiral vektörlerin toplamı ile belirleyebiliriz. 3 tipi vardır: kiriş, zig-zag ve kiral şekilleri (n, n), (n, 0) ve (n, m) olarak ifade edilebiliyor. fizikle ilgilenmeyenleri detaylarla boğmayacağım isteyen verdiğim kaynaklara bakabilir. (referans), referans
  
  karbon nanotüplerde de grafen ve grafit tabakalarında olduğu gibi sp2 hibritleşmesi mevcuttur ve bu bağ sp3'e göre daha yüksek elektrongatifliğe sebep olduğu için karbon nanotüpün mekanik özellikleri ve kimyasal kararlılığı çok daha yüksektir.
  
  nanotüpte kıvrımlı yapı mevcuttur bu yüzey alanının artmasına sebep olur ki bu da filtrelemede kullanışlı bir ürün elde etmenizi sağlar. aynı zamanda yüksek iletkenliğe, ihmal edilebilecek bir termal genleşmeye sahiptir. pil uygulamalarında, iletken ve yüksek mukavemete sahip bant uygulamalarında veya yüksek termal iletkenlikleri sebebiyle hassas ölçüm cihazlarına kadar kullanılabilirler. (referans)
  
  --- spoiler ---
  karbon nanotüp sorunları
  --- spoiler ---
  karbon tüplerin en büyük problemi kompozit üretiminde yapıda homojen dağılamamasıdır. çünkü yüksek yüzey alanına sahip ve tabakalar arasında grafite benzer şekilde güçlü van der waals etkileşimleri olur, bu da topaklaşmalara sebebiyet verir. haliyle polimer matriksle arayüzeyde bağlantı oluşturmada sorunlar çıkar. kısacası tek bir nanotüpün üretimi kolay yapılsa da milyonlarcasını bir arada kontrol etmek oldukça zordur. (referans)
  
  --- spoiler ---
  karbon nanotüpün özellikleri (çelik ve bakırla karşılaştırılması)
  --- spoiler ---
  karbon nanotüpler 1,2 tpa(12000 gpa) elastik modül ve of 50–200 gpa çekme dayanımı değerleriyle mekanik özellikleri çok yüksektir. örnek olması açısından çeliğin elastik modülü 200 gpa, çekme dayanımı ise 400-1500 mpa arasında değişiyor. yine bakırın termal iletkenliği 400 w/m.k ve iletkenliği 6x10^7 s/m'dir. (referans1 ve referans 2)
  
  --- spoiler ---
  fulleren nedir?
  --- spoiler ---
  harold kroto tarafından 1985 yılında grafit ve elmastan sonra bulunan ilk karbon allotropudur. fikir ise uzaydan çıkar. evet uzaydan! o dönem keşfedilmiş olan yıldızlar arası uzayda çeşitli sıralamalara sahip moleküller mevcuttur ve kroto; bu uzun moleküllerin dev boyutlu karbon esaslı kırmızı yıldızlardan oluştuğunu ve bu moleküllerin smalley laser supersonik ışın parçacık apatürüyle dünyada üretilebileceğini ve incelenebileceğini savunur. deneylerde öğrencilerinden biri analizde farklı bir molekül fark eder hocasına bildirir. işte bu molekül fullerene sebep olacak tesadüftür. cihaz ve ilgili çalışma. ismini ise ünlü amerikan mimar r. buckminster fuller yaptığı bina tasarımına benzeyen yapıdan almaktadır.
  
  bu keşif kroto'a 1996'da nobel ödülü kazandırmıştır. fulleren görünüş olarak kapalı bir küreye benzer, bu kürede karbon atomları hegzagnal(altıgen) formatta birbirine tutunmuştur. genellikle 60 tanesi birbirine tutunur. bu yüzden de c60 ismini alır fakat c70, 76, 84 hatta 100 karbon birbirine bağlanabilmektedir.
  
  fullerenler özellikle karbon nanotüplerin üretilmesine ve keşfine sebep olduğu için önemlidir. kendi başlarına kullanımları sınırlıdır. yüzey alanı sebebiyle enerji depolama veya kanser araştırmalarında kullanılabilmektedir. referans
  
  --- spoiler ---
  karbon allotropları üstüne bazı kişisel yorumlar
  --- spoiler ---
  alttaki kaynakta karbon allotropların özelliklerinin karşılaştırmasını görebilirsiniz.
  karbon allotroplarının özellikleri (referans)
  
  bu ürünler madem bu kadar yüksek mukavemete, elastikiyete sahip neden çelik yerine kullanılamıyorlar yahu? diye düşünebilirsiniz. çünkü bu malzemelerin nano boyutta üretilip makro boyuta getirilmesi gerekiyor. bu da yüksek üretim süresi ve maliyet demek. şu an ancak birkaç mikrometreye kadar karbon nanotüp üretimi mevcut.
  
  bu sebeple inşaat-mimari uygulamalardansa mikro uygulamalarda örneğin mems veya elektronik devrelerde kullanılması şimdilik daha mantıklıdır. yani 1 ton çeliği 1 günde üretirsiniz ama 1 ton nano-tüpün ne kadar zamanda üretilebileceğini tahmin bile edemiyorum. kaldı ki üstte bahsettiğimiz homojenizasyon(bir arada durma ve şekillendirme) sorunları da cabasıdır.
  
  özet olarak karbon özel bir malzemedir ve 1980 itibariyle önce fulleren ardından grafen ve nanotüplerin gelişmesiyle nanoteknolojiye boyut atlatmıştır. bu elementin kardeşi olan silisyum hakkında bilgilere de şuradaki ekşi-şeyler yazımdan ulaşabilirsiniz:
  https://seyler.eksisozluk.com/…ak-ne-anlama-geliyor