Grafen

Nanografi Nano Teknoloji, ODTÜ Teknokent bünyesinde 2011 yılında kurulmuştur.  2011 yılından bu yana edindiği tecrübe ile farklı alanlarda yaptığı çalışmalar ile kritik öneme sahip iş alanlarındaki çalışmalarını sürdürmektedir. Avrupa Birliği, Türkiye Cumhuriyeti Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı, Türkiye Cumhuriyeti Cumhurbaşkanlığı, Savunma Sanayi Başkanlığı, TÜBİTAK ve diğer bilimsel enstitüler ile sağladığı işbirlikleri ile nano teknoloji alanında önemli katkılar sunmaya gayret etmektedir. Dünya çapında 100’den fazla ülkede, en büyük teknoloji ve sanayi şirketlerine, üniversiteler ve enstitülere üretim ve AR-GE desteği vermektedir.  Zengin ürün gamı, ürün ve hizmetlerde yüksek kalite ve dünyanın dört bir yanına hizmet vermektedir. 2020 yılı itibari ile yüksek üretim kalitesini, ISO 9001:2015 Kalite Güvence Sistemi kalite belgesi ile sertifikalandırmıştır.

Nanografi, 837249 sayılı hibe sözleşmesi kapsamında Avrupa Birliği’nin Horizon 2020 araştırma ve inovasyon programından fon almıştır.

Türkiye’nin en büyük ticari kuruluşlarından biri olan, enerji, değerli maden, sağlık ve finans sektöründe yoğun faaliyetler gösteren Ahlatçı Holding’in grup şirketleri arasında bulunan Nanografi Nano Teknoloji A.Ş, yetkin insan kaynağı, mühendislik gücü ve bilgi birikimi, güçlü sermayesi ile Türkiye’nin ve günümüz yüksek teknoloji çalışmalarının öncülerindendir.  Nanografi, nano ve mikro boyutlu malzemeler üzerinde uzmanlaşmış ekibi ile ileri malzeme teknolojileri kapsamında ürünler üretmekte ve AR-GE çalışmalarındaki sürekliliği ile yeni nesil ürünler üzerine çalışmalar yürütmektedir.

Yeni nesil ürünler üzerindeki çalışmalardan en önemlileri ise ticari amaçlı karbon nanotüp ve grafen üretimidir. Nanografi, Türkiye’de ticari amaçlı karbon nanotüp üreten ilk firmadır ve uluslararası programların desteklediği birçok projeyi başarıyla yürütmüştür ve yürütmeye devam etmektedir. Dünya’nın en büyük grafen üretim tesislerinden birine sahip olan Nanografi, yıllık 100 tonluk üretim kapasitesine sahip üretim merkezini 2020 yılında kurmuştur

Nanografi Nano Teknoloji AŞ’nin faaliyet alanları aşağıda kısaca belirtilmiştir:

  • Çeşitli yöntem ve özelliklerde Karbon Nanotüp ve Grafen üretimi
  • Karbon nanotüp teknolojisi ve diğer nanopartiküller (TiO2, nanokil, Al2O3 vs.) kullanarak üstün özelliklerde nanokompozit üretilmesi
  • Elektronik uygulamalar için iletken ve şeffaf olarak kaplanabilen nanoink (iletken mürekkep) üretimi

Nanografi olarak amacımız, Nano boyuttaki yapı taşlarından oluşan, Havacılık, Savunma, Kimya, Otomotiv gibi sektörler başta olmak üzere birçok endüstriyel ve Ar-Ge/Ür-Ge çalışmalarında, üniversitelerde, enstitülerde ve araştırma merkezlerinde ve teknokentlerde yapılan araştırmalarda kullanılan, mekanik dayanımı, ısıl iletkenliği, elektrik iletkenliği, yoğunluğu, klasik malzemelere göre daha gelişmiş, güçlendirilmiş, şekilleri ve boyutları ihtiyaca uygun ileri teknoloji malzeme tasarlamak ve üretmektir. 

Ayrıca Nanografi, yüksek performanslı malzemeler, ileri teknoloji malzemeleri, nanomalzemeler, nanopartiküller, nanokompozitler, nanopartikül katkılı plastik malzemeler, CVD ve PVD sistemleri konusunda; Proje Geliştirme, Proje Yürütme ve Danışmanlık hizmeti vererek, müşterilerinin projelerine en üst seviyede katkıda bulunmayı amaçlamaktadır.

İçinde bulunduğu Havacılık, Savunma, Kimya, Otomotiv gibi sektörler başta olmak üzere birçok sektöre çözümler sunmakta olan Nanografi, bu kapsamda, savunma sanayi şirketleri ile yakın bir mesai sürdürmekte ve ihtiyaca yönelik işbirlikleri yapmaktadır. 

Savunma Sanayi Şirketleri ile yapılan işbirlikleri ve ihtiyaç analizleri neticesinde yüksek düzeyli kaplama teknolojileri ve ileri düzeyde malzemeler geliştirmekte olan Nanografi, CVD Yöntemiyle Grafen Kaplamaları, özel nano teknolojik malzemeler geliştirilmesi, ultrasonik kaplama yöntemleri sayesinde korozyona yüksek mukavemetli, çizilme ve darbeye dirençli ürünler üretmektedir. Savunma sanayi ve yüksek teknolojik şirketlerin ihtiyaç duyduğu düzeylerde yapılan kaplamalar ile ileri malzemeler ile geliştirilmiş olan boya ürünleri de geliştirmektedir. Bu ürünlere yapılan testlerde de muadillerine göre en yüksek performans değerlerine ulaşmışlardır.

Grafen Nedir?

Grafen, karbon atomlarının altıgen şeklinde dizildiği tek katmanlı yapıya verilen addır. Grafitin yapı taşı olarak düşünülebilir. “Mucize malzeme” ismiyle anılmasının sebebi ise kendine has özellikler barındırmasıdır. Tek atom kalınlığında olmakla birlikte çelikten 200 kat daha güçlü bir yapıya sahiptir. Endüstriye entegre edildiğinde yaşadığımız dünyayı değiştirecek bir mihenk taşı olma potansiyeli taşır.

Grafen, 2004 yılında bir bant yardımıyla grafitin eksfoliyasyonu sayesinde elde edilmiştir. 2010 yılında Andre Geim ve Konstantin Novoselov grafenin mucitleri olarak Nobel Fizik Ödülü kazanmışlardır. Grafen birçok malzeme ile birlikte kullanılıp özellikleri modifiye edilerek birçok uygulamaya adapte edilebilir. Dünyanın dört bir yanından birçok akademisyen ve bilim insanı grafeni yeni kullanım alanları için adapte etmeye ve grafen için yeni üretim yöntemleri bulmaya çalışmaktadır.

Grafenin Eksfoliyasyonu

Karbon, insan vücudunda en yaygın bulunan ikinci element olmasının yanı sıra dünyada da ağırlık bazında en yaygın dördüncü elementtir. Bu konumu, karbon bazlı bir malzeme olan grafeni doğa dostu ve sürdürülebilir üretime uygun hale getirir. Grafenin özelliklerini daha iyi anlamak için basit bir kıyas yapmak gerekirse;

Grafen, 2 boyutlu bir malzemedir. Yani sadece genişlik ve uzunluk yönünden boyutlandırılır. Kalınlığı 1 atom boyutunda olduğu için bu boyuttaki büyüklüğü sıfır kabul edilir. Karbon nanotüp, fuleren, grafit gibi diğer karbon bazlı malzemelerin yapıtaşıdır.

Üzerinden yansıyan ışığın yalnızca %2,3’ünü soğurduğu için transparan bir yapıdadır. Tipik olarak levha yapıda bulunan grafen toz formunda da elde edilebilir. Bazı uygulamalar grafenin muhteşem yapısıyla bile karşılayamadığı bazı özellikler gerektirir. Bu gibi durumlarda grafen üzerinde bazı değişiklikler yapılarak uygulama alanına uygun hale getirilir. Grafen oksit, en çok üzerinde durulan grafen türevlerinden biridir. Grafen oksit karbon-oksijen bağlarına sahip olan, hidroksil, karboksil veya karbonil gibi gruplarla işlevselleştirilebilen bir yapıdadır. Grafenin katmanları arasındaki bağlar yatay eksendeki bağlara göre çok daha güçsüzdür. Bu sebeple katmanlar arasındaki mesafe ve içerisinde bulunan bileşikler kimyasal yöntemlerle manipüle edilebilir. Her ne kadar sadece tek katmanlı yapının ismi grafen olsa da günümüz endüstrisinde tek katmanlı bu yapının endüstriyel ölçekte üretilmesi zor olduğundan 10 katmana kadar olan grafit yapılarına grafen adı verilmektedir.

Grafenin Özellikleri


Grafenin saf değişik ürünlere entegrasyonu zor olduğundan, bunu sağlayabilmek için endüstriyel ürünlerde grafen oksit, indirgenmiş grafen oksit ve işlevselleştirilmiş ve indirgenmiş grafen oksit gibi işlenmiş türevleri üzerinde çalışılır ya da uygulanacağı malzemeye göre, grafen, çeşitli modifikasyon işlemlerine tabi tutulur. Grafen oksit, yapısında oksijen bazlı fonksiyonel gruplar barındırır. Oksidasyon derecesine göre yarı iletken veya yalıtkan bir malzeme davranışı gösterir. İletkenliğinin bu derece manipüle edilebilmesi ise grafen oksiti biyomedikal, kaplama, enerji depolama, elektronik cihazlar, biyo-sensörler gibi birçok alanda öne çıkarır.

Grafenin oksitlenmesi, mekanik özelliklerin birçoğunu etkilese de bu özelliklerin bir kısmı kimyasal veya termal indirgenme ile geri kazanılabiliyor. Bu işlemin sonucunda ise grafen belirli kimyasal gruplarla işlevselleştirilip kimyasal ve mekanik özellikleri spesifik uygulamalar için manipüle edilebiliyor.


İşlevselleştirilmiş grafen oksitin yapısı günlük yaşamda sıkça karşımıza çıkan deterjana benzetilebilir. Deterjan yapısı incelendiğinde bir ucun hidrofobik (su sevmeyen) diğer ucun ise hidrofilik (su seven) özellikte olduğu görülür.

Bu sayede deterjanın bir tarafı kire tutunurken diğer tarafı da suya tutunarak kirlerden arındırıcı bir etki sağlar. Grafen oksitin de benzer bir şekilde manyetik, kimyasal veya mekanik olarak istenen maddelerle etkileşime girip girmeyeceğine, ne şekilde etkileşime gireceğine karar verilip oksidasyon derecesi ve kullanılan oksidantlar aracılığıyla istenen özelliklere erişilebilir.

Grafen oksitin indirgenmesi, oksidasyondan sonra bozulan saf grafenin özelliklerinin geri kazanımı için oldukça önemli bir süreçtir. Yapı ve özellikleri bakımından grafene en yakın malzeme indirgenmiş grafen oksittir. Fakat bu malzemenin katman sayısının düşürülmesi için uygulanan işlemler ve bu işlemlerin yarattığı zaman ve maliyet yükünden dolayı seri üretim için tercih edilmemektedir. Grafenin indirgenmesi için birçok metot bulunsa da her yöntemin kendine has avantajları ve dezavantajları bulunduğundan uygulamaya göre bir yol izlenmelidir.

GRAFEN SENTEZ TEKNİKLERİ

1)    Fiziksel Yöntemler                                                                                                     

  • HOPG’nin kimyasal eksfoliyasyonu
  • Mikromekanik olarak grafit tabakasından ayrılma (çok sayıda tabaka)
  • Hidrokarbonların buhar fazı çöktürmesiyle epitaksiyal büyüme (UHV)
  • SiC ile termal bozulma (rxn kontrolü > 1100 °C)
  • Metal substratı üzerinde C çöktürme (CVD)

2)    Kimyasal Yöntemler

  • Aşağıdan yukarıya organik sentez
  • Grafit Oksit
  • Grafene indirgeme

GRAFEN ÜRETİMİNDE NANOGRAFİ

Neden Nanografi?

2016’dan önce, grafen üretimi sadece maliyetli değildi, aynı zamanda çevresel sorunlardan da yaratıyordu çünkü eski grafen üretim süreçlerinde büyük miktarda atık üretiliyordu. Ekonomik ve çevresel kaygılar, endüstrilerin grafenden tam anlamıyla yararlanmasının önünde bir engel halindeydi.  

Grafenin kompozit pazarına hızlı bir şekilde başlaması ve adaptasyonunu engelleyen en büyük engel, istenilen kalitede grafen üreticilerinin az olması ve yüksek kalitede grafenin aynı şekilde yüksek fiyat aralıklarıdır. Nanografi, bu engeli aşmak için basit, yenilikçi, uygun maliyetli ve çevre dostu bir grafen üretim yöntemi geliştirdi (patenti onaylanmak üzere) ve kompozit sektöründe grafen için bir şans sundu. Geliştirilen yöntem, 5 yıl içinde yılda 100 ton üretim miktarına kadar ölçeklendirildikten sonra, yüksek kalitede ve en düşük fiyat aralığını sunan grafen nanoplatelet ürünü sunmaktadır.

Nanografi Nano Teknoloji A.Ş, patent bekleyen çevre dostu ve uygun maliyetli üretim yöntemi (GREEN GRAPHENE) ile dünyanın en büyük Grafen Üretim Tesislerinden birini başlatmak için Avrupa Birliği tarafından Horizon 2020 SME Instrument hibesini almaya hak kazanmıştır. Alanının öncülerinden Nanografi, 2016 yılında kaliteden ödün vermeden çevreye hiçbir zararlı madde salmayan, neredeyse hiç atık bırakmayan ve maliyetleri önemli ölçüde azaltan grafen üretim yöntemini geliştirmiştir.

Grafen’in Kullanım Alanları

Elektronik

Grafen, elektronik sektöründe taşları yerinden oynatacak çok sayıda özelliğe sahiptir. Sadece 0.34 nanometre kalınlığındadır. Bir metrekaresi bile sadece 0,77 miligram olan son derece hafif bir malzemedir. Çok esnektir; eski şeklinin yüzde 20’si boyutlarına düşene kadar deforme olmadan katlanabilir. Çok iletken bir malzemedir; bazı metotlarla elektriği yüzde 100 ileten bir süper iletken haline getirilebilir. Ayrıca grafen ısıyı da hızla ve her yöne iletebilmektedir. Grafenin bu üstün özellikleri, elektronik cihazları minyatürleştirirken esnekleştirme, iletişimi ise hızlı, etkin ve güvenli hale getirme yolları arayan elektronik sektörüne yeni inovasyonların kapılarını aralamaktadır. Nitekim çok sayıda kurum ve kuruluş grafen ile daha ince, hassas ve esnek ekranlar, esnek çipler, daha hızlı veri iletişim ara bağlantı araçları geliştirmek üzere çalışmalar yapmaktadır ve bu çalışmalara savunma sanayii şirketleri de destek vermektedir. Örneğin Ağustos 2018’de Sabancı Üniversitesi ile ASELSAN işbirliği ile “Dünyanın en yüksek çözünürlüklü grafen tabanlı OLED ekranı geliştirildiği” duyurulmuştur. OLED ekranlar oksijen ve neme karşı hassastır ve bu nedenle koruma katmanına ihtiyaç duyulmaktadır. Taşınabilir cihazların OLED ekranları esnek olmayan cam tabakalarla korunmaktadır. Cam tabaka yerine grafen tabakası kullanılması ekranı son derece esnek ve ince hale getirebilmektedir.

Türkiye’de geliştirilen OLED ekranın savaş uçaklarının gösterge panellerinde kullanılacağı ve böylece dışa bağımlılığın azalacağı da belirtilmektedir.

Sağlık

  • Hedefe yönelik ilaç taşınması
  • Nano robotlar ile vücut hasarının giderilmesi
  • Kalp hastalıkları için büyüyen doku polimerleri sayesinde kalp hasarının onarılması
  • Nanochip ile çok hızlı teşhis

Fotonik ve Optoelektronik

Saf (tek katmanlı) grafenin optik özellikleri de elektro optik alanında büyük yeniliklere yol açacak yeni kabiliyetler sunmaktadır. Siyah karbon atomlarından oluşan grafen çok incedir ama hâlâ çıplak gözle görülebilecek bir malzemedir. Beyaz ışığın sadece yaklaşık yüzde 2,3’ünü yutar. Bu da grafeni hem şeffaf hem de iletken bir malzeme haline getirmektedir. Grafen aynı zamanda sıra dışı bağ yapısı sayesinde elektromanyetik radyasyon ile etkileşime girebilen bir malzemedir. Grafen kızılötesi veya terahertz aralıklarında ışık tespitinde yarı iletken malzemelere göre daha kullanışlıdır. Bu özellikler grafeni optik, fotonik, optoelektronik, elektro optik ve fotovoltik enerji (güneş enerjisi) alanlarında değerli bir malzeme haline getirmektedir. Savunma sektörü grafenin optik özelliklerinden yararlanmak üzere harekete geçmiştir. ABD’nin İleri Savunma Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA), 2016 yılında kızılötesi kameraları ve gece görüş gözlüklerini daha küçük, daha hafif ancak daha yüksek çözünürlüklü hale getirmeyi hedefleyen Florida Üniversitesinin “Grafen Kızılötesi Detektör” projesine 1,3 milyon dolar bağışlamıştır. Saf grafenin diğer tüm özelliklerinin yanı sıra, ışık yönetme, saptama ve kontrol kabiliyetleri, bu malzemeyi, iletişim sistemleri açısından da ilginç kılmaktadır. Dijital iletişim sistemlerinin yarı iletken malzemelerle fiziksel sınırlarının sonuna geldiği; daha fazla bant genişliği, daha düşük enerji tüketimi ve daha yüksek erişim gibi taleplerin karşılanması için yeni teknolojilere ihtiyaç duyulduğu belirtilmektedir. Grafen malzemesi, fiziksel özellik ve kabiliyetlerle iletişim teknolojisi açısından da sıkça kullanılan “mucize malzeme” nitelemesini doğrular niteliktedir. Günümüzde grafenin fotonik ve optoelektronik uygulamalarda kullanılması yönünde yoğun araştırma ve ürün geliştirme çalışmaları yapılmaktadır. Bunlardan biri 5G mobil iletişim teknolojisidir. 2020 yılında dünyanın önemli bir bölümünde kullanılmaya başlanacak olan 5G teknolojisi, savunma açısından da dikkatle izlenmektedir. Ancak bu teknolojinin yüksek maliyet, yüksek enerji tüketimi ve erişim kısıtlılığı gibi sorunları bulunmaktadır. Grafen ile üretilen son derece hızlı optoelektronik cihazların 5G iletişiminde daha yüksek performans sağlaması beklenmektedir.

Enerji

Grafenin kimyasal özellikleri de inovasyonu tetikleyecek niteliktedir. Saf grafen kimyasal olarak istikrarlıdır; başka atomlarla reaksiyona girmemektedir. Ancak grafen başka atom ve molekülleri özümseyebilmektedir. Bu durum grafenin elektronik özelliklerinde değişikler yapabilmektedir. Grafen başka atomlarla işlevselleştirilebilmektedir. Örneğin oksijenle grafen oksit, flor ile flüorür oksit elde etmek mümkündür. Grafen ayrıca yüksek yüzey alanına sahiptir: 1 gramı 2630 metrekare alanı kaplayabilmektedir. 3 gramı ile bir futbol sahasını kaplamak mümkündür. Grafenin istikrarlı kimyasal ve fiziksel kabiliyetleri grafeni enerji alanında da çekici kılmaktadır. Güneş pili, batarya, süperkapasitör ve hidrojen pillerinde performans artırıcı olarak denemeleri süren grafenin günümüzün en önemli problemlerinden enerji sorununa çare olabileceği belirtilmektedir. Özellikle grafen bazlı süperkapasitörler geliştirilmesi yönünde çalışmalar hız kazanmıştır. Süperkapasitörler, normal kondansatörlerden kat kat fazla yük saklayabildikleri için günümüzde özellikle taşınabilir elektronik ürünleri ve elektrikli araçlarda tercih edilen lityum-iyon pillerine de daha ekonomik bir alternatif olmaktadır. Ayrıca aktif hale getirilmiş grafen, lityum-iyon pillerinin ömrünü uzatmakta, enerji kapasitesini artırmakta ve şarj süresini kısaltmaktadır. Bilim insanları herhangi bir yüzeye yerleştirilerek elektrik üretimi yapabilecek küçük, ince, esnek ve şeffaf grafen pilleri üzerinde çalışmalar yürütmektedir. Daha uzun ömürlü, daha küçük, daha esnek, daha güçlü ve kısa şarj süreli piller savunma sanayiinin de ilgi alanındadır.

Kaplama ve Kompozitler

Grafenin en çok uygulama bulduğu alan kaplama ve kompozitler olmuştur. Otomotivden boyaya, inşaattan metal eşya sektörüne, uzay ve havacılıktan kişisel bakım ürünlerine kadar pek çok alanda grafen içeren kaplamalar ve kompozitler kullanılmaya başlanmıştır. Araştırmalara göre grafen kompozit pazarının büyüklüğü 2018’de 50 milyon dolara ulaşmıştır. Bu pazarın 2028’de 800 milyon dolara çıkacağı tahmin edilmektedir. Grafenin yüksek yapışma özelliği sayesinde anti-bakteriyel kaplamalar, izolasyon sağlayan boyalar, pas önleyici kaplamalar, morötesi ışın önleyicileri üretilebilmektedir. Grafen kaplamaların, mikrobiyal kaynaklı korozyona karşı tipik polimer kaplamalardan daha fazla koruma sağladığı gözlemlenmiştir. Grafen kaplamalar hidrofobik, iletken ve kimyasal olarak dirençli olabilmektedir. Hidrofobik grafen kaplamalar, gemi gövdeleri, yapılar (çimento), cam yüzeyler (aynalar, pencereler) ve tekstil gibi hidrofobik yüzeylerin gerekli olduğu yerlerde kullanılmaktadır. Grafen kaplamalar ayrıca üstün kimyasal, nem, korozyon, UV ve yangına dayanıklı özelliklere sahip koruyucu kaplamalar olarak da kullanılabilir. Grafen, üstün mekanik, termal ve elektriksel özellikleri sayesinde hafif, dayanıklı ve uzun ömürlü kompozit üretiminde büyük ilgi görmektedir. Grafen kaplamalar askeri alanda balistik direnç özelliğiyle dikkatleri üzerine toplamıştır. ABD’de yapılan araştırmalar, grafenin atılan mermilerin kinetik enerjisini bertaraf edecek güçte olduğunu ortaya koymuştur. Bu kabiliyet grafenin son derece hafif ve ince bir zırh veya kurşungeçirmez yelek gibi giyilebilir balistik koruma donanımlarında kullanılabileceği ihtimalini ortaya koymaktadır. Çin’in Z-10 saldırı helikopterlerinde grafen zırhı kullandığı ileri sürülmektedir. Çinli bilim insanlarının, özellikle Güney Çin Denizi’ndeki deniz üslerindeki savaş platformları, elektronik ekipman ve silahları korozyondan korumak amacıyla grafen kaplama malzemesi geliştirmek üzere çalışmalar yürüttüğü de açıklanmıştır. Grafen kaplama ve kompozitler, havacılıkta da hak ettiği ilgiyi bulurken, savunma çevreleri de bu çalışmalara katılmaktadır.

Grafen kaplamalar hava araçlarını atmosfer koşullarından korurken, grafen kompozitler uçağın ağırlığını azaltmakta ve yakıt tüketimini düşürmektedir. İngiltere merkezli savunma sanayi şirketi BEA Systems’in desteklediği bir projede Manchester Üniversitesi bilim insanları grafen kaplı bir insansız hava aracı test etmiş, grafen kaplama sayesinde uçakların daha yüksek irtifalarda uçabileceklerini, yakıt tüketimlerinin azalabileceğini ve yıldırım gibi atmosfer olaylarından korunabileceğini ortaya koymuştur. Yine İngiltere’deki Central Lancashire Üniversitesi uzmanlarınca geliştirilen grafen kompozit, grafen kaplama ve grafen bazlı piller kullanılan “Juno” adı verilen insansız hava aracı 2018’de kamuoyuna tanıtılmıştır. Savunma sektörünün ilgisini grafen kaplama ve kompozitlere yöneltmesinin bir diğer nedeni de iz yönetimi ve kamuflajdır. Grafen kaplama ve kompozitler üzerinde bulundukları yüzeylerin şekillerinin radyo frekansları ve elektromanyetik radyasyon ile algılanmasını güçleştirmektedir. Bu nedenle grafen malzemelerinin savaş platformlarının düşman tarafından algılanmasının engellenmesinde kullanılması yönünde çalışmalar yürütülmektedir. Savunma çözümleri de geliştiren İsveçli sanayi devi Saab, 2015 yılında grafeni uçak, gemi, denizaltılar ve hatta asker üniformalarının kamuflajında kullanmak üzere araştırmalar başlattığını duyurmuştur. İngiliz ordusunun araştırma birimi DASA, grafen üreticisi AMD, geçen yıl yine grafen iz yönetimi ve kamuflaj araştırmaları için 83 bin avro yardımda bulunmuştur.

Grafenin Karakterizasyon Yöntemleri

Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM)

Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM)

DÜNYADA GRAFEN

Küresel grafen sektörünün üretim ve maliyet sorunları sürmekle birlikte, grafen tanım ve standartlarının 2017’de ortaya konulmasına paralel olarak, üretim miktarı ve çeşitliliğinde belirgin bir canlanma yaşandığı, fiyatların ise makul seviyelere doğru ilerlediği anlaşılmaktadır. Bu gelişme grafenin ticari kullanımı ile grafen araştırma ve patent sayılarının 2018 yılında belirgin biçimde artmasıyla da kendini göstermektedir. 2018’de dünyanın dört bir yanında grafen bağlantılı firmalar savunma, uzay ve madencilik gibi alanlarda yüksek miktarlı grafen siparişleri almışlar, grafenin kullanıldığı çok sayıda prototip geliştirmişlerdir. Öyle ki, kimi yorumculara göre 2018 yılı grafenin ticarileşmesi açısından “kırılma yılı” olmuştur. 2018’de grafen araştırmaları ve pazarına ilişkin rakamlar bir önceki yıla göre çarpıcıdır. Research and Market’in raporuna göre grafen sektörünün gelirleri 2017’de 85 milyon dolarken, 2018’de 200 milyon dolara çıkmıştır. Aynı kuruluşun bir başka araştırmasında küresel grafen sektörünün 2017-2026 döneminde yıllık ortalama yüzde 40 büyüme oranına ulaşacağı öngörülmektedir. Yine Research and Market’in bir başka araştırmasına göre ise, 2023 yılında bir milyar dolarlık küresel pazar büyüklüğüne ulaşılacağı tahmin edilmektedir.

Bölgesel Pazar Trendleri

Grafene yönelik talepteki canlanma, grafen malzemesinin ticari kullanımının artırılması için devletler öncülüğünde başlatılan çabaların meyve vermeye başladığına işaret etmektedir. Grafen teknolojisinin Ar-Ge faaliyetlerinin organizasyonu ve finansal yükü günümüze kadar büyük ölçüde devletler ve uluslararası kuruluşlarca yüklenilmiştir. Geim ve Novoselov’un Grafen keşiflerinin 2010’da Nobel ile ödüllendirilmesinin ardından grafen teknolojisine yapılan yatırımlar da hızla artmıştır. Çin, ABD, Güney Kore, Japonya, Hindistan, Malezya, Tayvan, Avustralya, Kanada, Singapur ve Avrupa Birliği (AB) gibi ülke ve gruplar grafen araştırmaları için yoğun çaba sarf etmiş ve hatırı sayılır kamu fonları tahsis etmişlerdir. Kamu desteğindeki üniversiteler ve grafen araştırma enstitüleri bir yandan grafen ürünleri geliştirirken öte yandan grafenin ticari kullanımının artması için özel şirketler kurarak sektörün gelişmesine katkıda bulunmuşlardır. Nanografi Nano Teknoloji A.Ş bu noktada hem üniversite hem de özel kuruluşlarla yaptığı işbirlikleriyle Türkiye’deki grafen üretim sektöründe lider konumuna gelmiştir. Aşağıda dünya pazarında etki gösteren büyük ülkelerin analizi yapılmıştır.

Grafen Pazarında Çin

Çin, grafen malzemesi üzerine araştırma ve ticarileştirme çalışmalarının yoğun olduğu ülkelerin başında gelmektedir. Çin devleti “Made in China 2025” ve 13’üncü Beş Yıllık Kalkınma Planı gibi stratejik belgelerinde grafen gibi yeni malzemelerin geliştirilmesini ulusal ekonominin öncelikleri arasında saymış ve araştırmalarının destekleneceğini bildirmiştir. Çin Ulusal Doğal Bilimler Vakfının 2017’de malzeme bilimi projelerine yaklaşık 2 milyar Yen fon sağladığı belirtilmektedir. Buna karşılık yayınlanan uluslararası raporlar, 2017 rakamlarına göre, küresel grafit pazarının yüzde 68’ini elinde bulunduran Çin’in grafen araştırmaları ve üretimi konusunda dünya lideri olduğunu ortaya koymaktadır. Ekim 2018’de yayınlanan bir rapora göre Çin’de kayıtlı 4.000’den fazla grafen bağlantılı şirket bulunmaktadır. Söz konusu şirketler 2017’de gelirlerini yüzde 69,3 artırarak 18 milyon 820 bin dolar gelir elde etmiştir. Aynı yıl küresel grafen pazarının büyüklüğü bir rapora göre 83 milyon dolar civarında gerçekleşmiştir. Dolayısıyla Çin şirketleri, küresel grafen pazarının yüzde 22,1’ini elinde tutmaktadır. Çinli kurum ve kuruluşlar grafen patentlerinin de yaklaşık yüzde 60’ına sahiptir. 2017’de dünyada tanınan 13.371 grafen bağlantılı patentin 5.603’ü Çinli firmalarca alınmıştır. Dünyada 2004 yılından beri tanınan grafen bağlantılı patent sayısı 2017 sonu itibarıyla 53.644’e ulaşırken bunların 32.143’ü Çinli firmalara tanınmıştır. Patent sayısında Çin’i, Güney Kore ve ABD takip etmektedir.

Grafen Pazarında Avrupa

Grafenin anavatanı olarak anılan Avrupa kıtası, grafen pazarına hâkimiyet yarışına önde başlamasına rağmen liderlikten uzaktır. Yapılan araştırmalar bölgesel olarak Kuzey Amerika’nın yaklaşık yüzde 33 payla küresel grafen pazarında birinci durumda olduğunu göstermektedir. Çin, Hindistan, Japonya, Avustralya, Singapur, Malezya ve Tayvan gibi gelişmekte olan grafen pazarlarının yer aldığı Asya-Pasifik bölgesi az farkla ikinci, Avrupa ise AB ve Rusya’nın gayretleriyle yaklaşık yüzde 25 payla üçüncü sıradadır. Ancak Avrupa’nın, grafen alanında yoğun Ar-Ge, endüstriyel uygulama ve ürün geliştirme çabalarıyla yakın gelecekte liderliği geri alabileceği de belirtilmektedir. AB, 2013’te 10 yıllık bütçesi 1 milyar avro olarak belirlenen Grafen Amiral Gemisi (Graphene Flagship) konsorsiyumunun kurulmasını sağlamıştır. 23 Avrupa ülkesinden 150’den fazla akademik ve endüstriyel araştırma kuruluşunu tek çatı altında toplayan konsorsiyumun, aralarında Türkiye’nin de bulunduğu çok sayıda ülkeden işbirliği ortağı da bulunmaktadır. Konsorsiyumda Türkiye’den Ankara Üniversitesi, Boğaziçi Üniversitesi ve İzmir Teknoloji Enstitüsü bulunmaktadır. Grafen Amiral gemisi kuruluşundan bu yana grafen bağlantılı 31 projeye ortak olmuş, dokuz şirketin kuruluşuna öncülük etmiştir. Kurulan şirketler 46 grafen ürünü geliştirmiş, 25 patent almıştır. 2008 yılında konsorsiyum ortaklarından çarpıcı ilerleme açıklamaları gelmiştir. Örneğin Airbus, uçak kanatlarında grafen kullanarak yakıt tasarrufunu artırırken karbondioksit salınımını azaltan ve uçakların kullanım ömrünü uzatan bir çözüm geliştirdiğini duyurmuştur. Grafen Amiral Gemisi’nin İtalyan ortağı Directa Plus, 2018’de Arvind Jeans ile çok sayıda grafenle güçlendirilmiş lifin kullanıldığı kıyafet geliştirdiğini, İtalyan kimya grubu Iterchimica ise grafen asfalttan oluşan bir yol kaplamasının denemelerine başladığını duyurmuştur. Yine konsorsiyum ortaklarından Almanya merkezli Talga, lityum-iyon pillerinde grafen silikon kullanımı testlerinden olumlu sonuç aldığını duyurmuştur. Grafen silikonlu lityum-iyon pillerin diğerlerine oranla yüzde 50 daha hızlı şarj olabildiği belirtilmiştir. Bütün bu firmalar Grafen Amiral Gemisi’nin belirlediği yol haritasına uygun olarak çalışmalar yürütmektedir. Konsorsiyumun açıkladığı 2019-2030 yol haritasına göre farklı grafen uygulamalarının olgunlaşma süreleri şöyle sıralanmaktadır:

2023-2029 döneminde;
  • Çok fonksiyonlu inşaat malzemeleri
  • Su arıtma ve deniz suyunu tuzdan arındırma
  • Depo lojistiği için süperkapasitörler
  • Esnek perovskit güneş hücreleri,
  • Perovskit çok eklemli fotovoltik paneller,
  • Gelişmiş ağ üstyapıları,
  • Yüksek frekanslı elektronik cihazlar,
  • Esnek elektronik cihazları,
  • Beynin bilişsel ve duyusal motor fonksiyonlarına yardımcı beyin-bilgisayar ara yüzleri
2030 sonrası;
  • Taşıtlar için yakıt pilleri,
  • 6G ve sonrası için kablosuz ağlar,
  • Çip üzeri optik veri (On-chip optical data),
  • Düşük enerji harcayan “spin logic” elektronik cihazlar,
  • Vücut içinde hareket edip hedefini bulan ilaçlar,
  • Vücut elektriğini okuyup değiştirerek (Biyoelektrik tıp) ile gerçek zamanlı tedavi

Avrupa’nın en büyük ortak bilimsel araştırma programı olan Grafen Amiral Gemisi ortakları şimdiden, daha kaygan kayak takımları, daha güçlü motosiklet kaskları, patlaması neredeyse imkânsız bisiklet lastikleri üretmiştir. Ancak İngiltere’nin AB’den ayrılma sürecine (Brexit) girmesi sürecin daha da ilerlemesine engel olarak görülmektedir. Çünkü Avrupa’nın İngiltere’nin grafen bilgisine, İngiltere’nin ise AB finansmanına ihtiyacı bulunmaktadır. İngiltere hükümeti grafenin keşfedildiği Manchester Üniversitesinde 7500 metrekareden büyük Ulusal Grafen Enstitüsü kurulması için 540 milyon avro harcamıştır. Enstitünün araştırma bütçesi 50 milyon avrodur. İngiliz hükümeti ayrıca yine Manchester’da Grafen Mühendislik ve İnovasyon Merkezinin kurulması için 530 milyon avro harcamıştır. Bu merkezler yukarıda belirtildiği gibi sadece Avrupalı değil Çinli ve ABD’li şirketlerle ortak Ar-Ge faaliyetleri yürütmektedir. İngiltere ayrıca, Versarien, Haydale ve AGM gibi uluslararası yatırım çeken ve İngiltere dışında yatırımları bulunan grafen sektörünün önde gelen şirketlerine de ev sahipliği yapmaktadır. Haydale, grafen mürekkebi kullanarak diyabetli hastaların kanlarındaki şeker seviyesindeki ani değişikleri haber veren sensör geliştirerek dikkatleri üzerine çekmiştir.

Grafen Pazarında Kuzey Amerika

ABD, Kanada ve Meksika’dan oluşan Kuzey Amerika, piyasa araştırmaları kuruluşlarının raporlarına göre dünya grafen pazarının yaklaşık üçte birine sahiptir. Kuzey Amerika’da grafen alanında araştırmaları mali olarak destekleyen çok sayıda kuruluş bulunmaktadır. ABD’de, Ulusal Bilim Vakfı (National Science Foundation -NSF) her yıl grafen bağlantılı projelere yüz binlerce dolarlık kaynak aktarmaktadır. ABD, ayrıca 2016 yılında Malzeme Genomu Projesi (Materials Genome Initiative -MGE) başlatmış ve aralarında grafenin de bulunduğu yeni malzeme projelerine belirsiz süreli 250 milyon dolarlık bir fon tahsis edilmiştir. Buna karşılık Kanada ve Meksika’da devletin doğrudan grafen araştırmalarına desteği bulunmamaktadır. Ancak bilimsel kuruluşlar, vakıflar ve özel fonların grafen araştırmalarına desteği bulunmaktadır. Kuzey Amerika’nın öncüsü ABD’de grafen pazarının büyümesinin ardındaki en önemli etmenler bu ülkenin dünyanın en büyük elektronik, savunma, havacılık ve uzay sektörlerine sahip olmasıdır. ABD Uzay Ajansı NASA hem grafen araştırmalarına öncülük etmekte hem de ülkenin önde gelen grafen alıcıları arasında bulunmaktadır. NASA’nın Langley Araştırma Merkezinde, uçaklar için çok hafif bataryalar, Holey Grafeni adı verilen solüsyonsuz yeni bir grafen sentezleme tekniği, elektrikli araçlar için yüksek güçlü kapasitörler ve uzay araçları için koruyucu malzeme geliştirme gibi çalışmalar yürütülmektedir. Ülkenin büyük teknoloji ve sanayi şirketleri de grafen araştırmaları yürüterek sektörün gelişmesine katkı sağlamaktadır. Dünyanın dört bir yanında araştırma laboratuvarları bulunan IBM grafen bağlantılı teknolojilere de yatırım yapmaktadır.

Grafen Pazarında Güney Kore

Güney Kore grafen teknolojisi üzerine yoğun Ar-Ge çalışmalarının yapıldığı ülkeler arasındadır. Güney Koreli şirketler ve akademik kuruluşların aldığı grafen bağlantılı patentlerin sayısı 2017 sonunda 7.175’e ulaşmıştır. Güney Kore grafen patenti sayısı açısından Çin’in ardından ikinci sıradadır. Dünyada en çok patent sahibi 10 kuruluştan 3’ü; Samsung, LG ve Kore İleri Bilimler ve Teknoloji Enstitüsü, Güney Kore merkezlidir. Teknoloji şirketi Samsung, 810 patentle 1001 patent sahibi Çin Bilimler Akademisinin ardından ikinci sırada yer almaktadır. Bu gelişmenin ardında, Seul yönetiminin grafen ve nanomalzemeler alanına verdiği desteklerin önemi büyüktür. Güney Kore Bilgi Ekonomisi Bakanlığı, 2012- 2018 döneminde grafen alanında 259 milyon dolar yatırım yapmıştır. Bu fonun 124 milyon doları grafeni ticari hale getirmek üzere yapılan araştırmalara tahsis edilmiştir. Hükümet 2012’de 45 özel şirket ve araştırma kuruluşuyla altı farklı konsorsiyum oluşmasına öncülük etmiştir. Güney Kore’nin geliştirilmesinde öncelik verdiği ticari grafen uygulamaları şunlardır:

  • Grafen bazlı dokunmatik ekranlar,
  • Grafen OLED ekranlar,
  • Elektrokrom pencereler,
  • Elektrikli araçlar için ikinci bataryalar,
  • Yüksek voltajlı, yüksek güçlü süper kapasitörler,
  • Çok hafif ve güçlü kompozitler,
  • Yüksek performanslı gaz önleyici filmler,
  • Elektromanyetik sızıntı önleyiciler,
  • Çevre dostu paslanmaz çelik levhaları

TÜRKİYE’DE GRAFEN

Dünyada grafen alanındaki gelişmeler bu sektörün son yıllarda emekleme safhasına geçtiğini ortaya koymaktadır. 2017 sonu itibarıyla alınan grafen bağlantılı patentler üzerine yapılan bir incelemede Çinli kurum ve kuruluşlarca alınan 32.000’den fazla patentin yüzde 63,5’inin “büyüme safhasındaki” bir grafen teknolojisine işaret ettiği görülmektedir. Bu oran Güney Koreli firmalar tarafından alınan grafen patentlerinde yüzde 12,8, ABD’li firmalarca alınanlarda ise yüzde 10,1’dir. AB üyesi İngiltere, Almanya ve Fransa’nın gelişme evresindeki grafen patentlerinin oranı yüzde 2’nin altındadır ancak bu oranın 2020’li yılların başından itibaren hızla artacağı tahmin edilmektedir. Grafen alanında bu hızlı gelişim yaşanırken Türkiye’de henüz emekleme devresi yaşandığını söylemek mümkündür. Grafen araştırmalarına Türkiye’de destek sınırlı kalmıştır. Araştırmalara destek açısından en önemli adım, 2013’te TÜBİTAK tarafından atılmıştır. TÜBİTAK, “1003-Öncelikli Alanlar Ar-Ge Projeleri Destek Programı” kapsamında, bir Grafen Çağrısı açmıştır. Çağrı ile ulaşılması beklenen hedefler şöyle sıralanmıştır:

  • Grafenin temel özelliklerinin (yapısal, kimyasal, mekanik, elektronik, optik, manyetik) araştırılması (ölçüm, karakterizasyon ve/veya modelleme),
  • Yüksek kaliteli grafen üretilmesi, Grafen tabanlı işlevsel yapıların (malzeme veya aygıt bileşenleri) geliştirilmesi,
  • Grafen tabanlı aygıt tasarımı, üretimi ve performans değerlendirmesi,
  • Grafen ürünlerinin daha ekonomik üretimine yönelik teknolojilerin geliştirilmesi ve grafen benzeri diğer iki boyutlu malzemelerin üretilmesi ve geliştirilmesi.

TÜBİTAK bu çağrısını 2018 yılında yenilemiştir. Çağrı sonrası 48 grafen bağlantılı projenin desteklenmesine karar verilmiştir. Bu firmaların arasında, Türkiye’de ticari amaçlı karbon nanotüp üreten ilk firma olan ve tüm formlarda yüksek saflıkta grafen üretimi yapabilen Nanografi Nano Teknoloji A.Ş, de bulunmaktadır.

GRAFENİN SAVUNMA SANAYİİNDE KULLANIM POTANSİYELİ

Dünyada grafen üretimindeki artış ve giderek genişleyen ürün yelpazesi, bu malzemenin kullanılabileceği sektör sayısını da hızla artırmıştır. 10.000’den fazla üyesi olan The Graphene Council, grafenin kullanılabileceği 40’tan fazla sektör belirlemiştir ve bunlar arasında savunma sanayii bulunmamaktadır. Grafenin kullanım alanı hızla yaygınlaşırken savunma çevreleri de bu gelişmeleri yakından izlemeye ve araştırmalara destek vermeye başlamıştır. Nitekim AB’nin “Savunma Bakanlığı” niteliğindeki Avrupa Savunma Ajansı (EDA), “Grafenin Savunmaya Etkisi” başlıklı bir araştırmayı 2017’de başlatmıştır. EDA bu proje çerçevesinde Mayıs 2018’de yaptığı teknik toplantıda grafenin sekiz savunma bağlantılı uygulama alanı belirlemiştir:

  • Elektronik/ optoelektronik malzemeler ve cihazlar,
  • Esnek sistemler,
  • Enerji cihazları,
  • Çok fonksiyonlu malzemeler,
  • Kamuflaj ve iz yönetimi,
  • Filmler ve filtreler,
  • Biyomedikal,
  • Sensörler

Referanslar

Mağaza