Gelişen teknoloji ile birlikte farklı ihtiyaçlar oluşmakta ve bunları karşılayabilecek malzeme araştırmaları günden güne artmakta. Son zamanlarda, grafen üstün özellikleri ile inşaat endüstrisi dahil olmak üzere bir çok alanda popüler.
Öncelikle grafenin ne olduğundan bahsederek başlayalım. Grafen tek katmanlı karbon atomlarının altıgen düzende yerleşmesiyle meydana getirdiği bir yapı. Yani aslında alışık olduğumuz 3 boyutlu malzemelerin aksine 2 boyutlu bir yapısı var. 1859 yılında İngiliz kimyacı Benjamin Brodie’nin grafen oksidi elde etmesinden sonra 1962 yılında grafeni keşfetmiş ve o günden 2004 yılına kadar bir çok yöntem ile elde etmek mümkün olmamıştır. 2004 yılında Manchester Üniversitesi’nde bir grafit taşın yüzeyini bant kullanarak temizlerken şans eseri üretilebileceği anlaşılmış ve 2010 yılında kaşifleri Andre Geim ve Konstantin Novoselov’a 2010 Fizik Nobel Ödülü’nü getirmiştir.
Peki bu 2 boyutlu ince malzemenin hangi özellikleri bu malzemeyi değerli kılıyor. Öncelikle elmastan daha sert bir malzeme yani grafeni çizmek kolay bir iş değil. Tek sıra molekülden oluştuğu için çok ince, esnek ve hafif. 130 GPa çekme dayanımı ile şimdiye kadar keşfedilen çekme dayanımı en yüksek malzeme. Elastik modül değeri için farklı araştırmalar olsa da 200 TPa civarında olduğuna dair araştırmalar mevcut. Bunların yanında, ısı ve elektrik iletkenliği noktasında bakırdan veya transistörlerde kullanılan silikondan çok daha iletken. Optik olarak saydam bir yapıya sahip olması da bir ekstra.
Grafen bu üstün özellikleri sayesinde hızlıca endüstriyel uygulamalarda da kullanılmaya başlandı. Günümüzde elektronik, sensör teknolojileri, havacılık, otomotiv, biomedikal, güneş ve diğer enerji teknolojileri, güvenlik ekipmanları gibi bir çok alanda kullanılıyor.
Grafen İnşaat sektörü için de potansiyel vaat ediyor. Henüz inşaat sektörü için emekleme aşamasında olması, bu konuyu yeni ürün geliştirmek için popüler kılıyor. İngiltere merkezli bir firma jeotermal kuyularda kullanılmak üzere, grafen içerikli katkılar ile çimento harçlarında ısı geçirgenliği ve çatlama direnci konusunda iyileştirme sağlıyor. Bunun yanında yine aynı firma asfalt katkıları ile daha dayanıklı ve elastik özellikleri iyileştirilmiş yolların mümkün olduğunu iddia ediyor. Grafen Mühendisliği İnovasyon Merkezi (GEIC) ile ingiliz otoyol şirketi Highways England arasındaki işbirliği ile İngiltere’deki otoyollarda pilot uygulamalar yapılmakta.
Grafenin yangın dayanımı, geçirimsizlik özelliği, kimyasal etki ve korozyona dayanıklılığı inşaat mühendisliği açısından en önemli noktalardan. Tata çelik firması, web sitesi üzerinde grafen araştırma laboratuvarlarında pilot uygulamalar üzerine araştırma yaptığını belirtiyor. Dimov ve arkadaşlarının grafen katkılı beton ile konvansiyonel betonun karşılaştırıldığı bir çalışmasında basınç dayanımında %146 ‘ya varan artış su geçirgenliğinde ise %400 ‘e varan bir azalma raporlamış. Aynı çalışmada tekrarlı testleri içeren farklı deneyler de raporlanmış. Bu ve benzeri çalışmalar ışığında sektördeki çimento kullanımının düşürülerek, dünya CO2 emisyonunun yaklaşık %10’unu gerçekleştiren çimento sektörünün daha sürdürülebilir olması yönünde faydalı adımlar atılabilir.
Grafen tek ve saydam bir katman olduğundan, kaplama amaçlı olarak da çok kullanışlı. Metaller üzerine kaplanarak mikro çatlakların önlenmesi, korozyon, tuzlu ortamlar veya diğer kimyasal etkilere bağlı yıpranmaların önlenmesi mümkün. Yüksek sıcaklık dayanımı ile çelik elemanların yangına karşı korunması konusunda yapılan araştırmalar mevcut. Bunlara ek olarak yüksek sertliği sayesinde kaplandığı yüzeyde çizilme ve soyulma direncini arttırıcı yönde faydası var.
İlk paragrafta bahsettiğimiz, grafenin sensör teknolojisine katkısı aynı zamanda yapı sağlığı izlenmesi konusunda inşaat mühendisliğine de katkı sunmaktadır. Wang ve arkadaşlarının, grafenin yapı sağlığı izlenmesinde kullanılması üzerine yayınladığı makalede, grafen sensörlerin konvansiyonel gerinim ölçerler ile karşılaştırıldığında oldukça iyi sonuçlar verdiği belirtilmiş. Belki de önümüzdeki yıllarda, yapılarımızın durumunu sürekli takip eden grafen esaslı saydam sensörler sayesinde olası zayıflıkların erken tespiti daha yaygın olarak mümkün olacaktır.
Tabii ki tüm bu olumlu yönlerine rağmen, grafenin henüz inşaat endüstrisinde pilot uygulama aşamasında olmasının nedenleri var. Öncelikle, mevcut yöntemlerle üretim maliyetlerinin yüksekliği, standard üretim kalitesi konusunda yaşanan problemler ve güvenilir tedarik zincirlerinin oluşamaması nedeniyle çoğu uygulama laboratuvar veya küçük çaplı olarak yapılmaktadır. Hâlihazırda, grafenin farklı metallere etkin bir şekilde kaplanması üzerine çalışmalar devam etmekte. İnşaat sektörüne dönük grafen kullanımları ile ilgili patentler de veri tabanlarında belirmeye başladı. Dünyada, Türkiye’de dahil olmak üzere yüzlerce laboratuvarda, grafenin potansiyel kullanım alanları ile ilgili çalışmalar sürüyor.
Referanslar:
Geim, A. K. (2012). Graphene prehistory. Physica Scripta, T146, 14003. https://doi.org/10.1088/0031-8949/2012/t146/014003
Lee, J.-U., Yoon, D., & Cheong, H. (2012). Estimation of Young’s Modulus of Graphene by Raman Spectroscopy. Nano Letters, 12(9), 4444-4448. https://doi.org/10.1021/nl301073q
Dimov, D., Amit, I., Gorrie, O., Barnes, M. D., Townsend, N. J., Neves, A. I. S., Withers, F., Russo, S., & Craciun, M. F. (2018). Ultrahigh Performance Nanoengineered Graphene-Concrete Composites for Multifunctional Applications. Advanced Functional Materials, 28(23), 1705183. https://doi.org/10.1002/adfm.201705183
Wang, L., Loh, K. J., Mousacohen, R., & Chiang, W.-H. (2017, Eylül 18). Printed Graphene-Based Strain Sensors for Structural Health Monitoring. Volume 2: Modeling, Simulation and Control of Adaptive Systems; Integrated System Design and Implementation; Structural Health Monitoring. ASME 2017 Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems. https://doi.org/10.1115/smasis2017-3839
MENG GAO, Anti-seismic wall and construction method thereof, Patent No: CN107859201 (A)
https://www.theengineer.co.uk/highways-england-geic-graphene/ne-(3)
https://graphene-flagship.eu/what-is-graphene-(3)
https://www.tatasteel.com/investors/integrated-report-2017-18/innovation.html#