Tanım: 1 metrenin milyarda birine nanometre denir. Nanometre boyutundaki ölçeklerde karbon (C) atomlarından oluşan yapılar mevcuttur. Bu yazıda bu C yapılar ele alınacaktır.
Karbon nanoyapılar genellikle tüpler, toplar, halkalar ve çubuklar olarak ana gruplara ayrılan kafesimsi yapılardır. Bu malzemelerin uygulama alanları geniş yelpazede yer almaktadır.
Karbon atomlarının oluşturduğu yapılar bağ yapan karbon atomu sayısı (Cn)’na göre çeşitlilik göstermektedir. Çeşitli büyüklüklerde karbon nanotopak üretimi de mümkündür.
Karbon Nanotoplar
Karbon atomlarının kovalent bağ yaparak küremsi şekiller oluşturabileceği ilk defa 1966 yılında D.E.H. Jones tarafından ileri sürülmüştür. 1984 yılında R.E. Smalley ve ekibi grafit kristalini laser ile eritip buharlaştırdıktan sonra C atomlarının farklı yapılarda topak kristaller oluşturduklarını fark ettiler. Molekül büyüklükleri yoğunlukla C20 – C130 olan bu kristaller küremsi halde bulunmaktaydı. 1985 yılında R.F. Curl, H.W. Kroto ve R.E. Smalley’den oluşan ekip karbon nanotopları ayırdılar. Elde edilen verilere göre kütlenin %75’ini C60, %23’ünü C70 oluşturmaktaydı. Bu çalışmalardan dolayı ekibe 1996 Nobel Kimya Ödülü verildi.
Burada ayrıştırılan karbon nanotoplar içinde en sağlamını C60 grubu oluşturmaktadır. C60 yapısında karbon atomları birbirine sp2 yapısı ile bağlanırlar. C60’da karbon atomları kararlı yapıda altıgen ve beşgen şekiller oluşturarak bir araya gelmişlerdir.
Karbon nanotopları en küçük kararlı boyutta C20 yapısındadır. En büyük kararlı nanotop yapısı bilinmemekte ve C1000 dahi oluşabilmektedir. En çok üretilen karbon nanotop yapısı ise C60’tır. Bu yapı 12 tane beşgen ve 20 tane altıgen yüzden oluşur (12 yüzlü simetri).
20 C atomundan daha az C bulunduran yapılar ise (örn.: C8 kübik yapı) farklı geometrik şekillerde bulunabilmektedir.
Karbon nanotopları saf olabileceği gibi geometrik yapıyı bozmayacak şekilde katkılanabilir. Katkılama, topların içine farklı atomların yerleştrilerek yapılabileceği gibi karbon yerine farklı element konularak da yapılabilir. Katkılama ile nanotopların elektriksel, mekanik ve optik özellikleri değiştirilebilir.
Karbon Nanotüpler
Bir araya gelmiş karbon atomlarının tüp yapısında bulunabileceği 1991 yılında Iijima tarafından fark edilmiştir. Grafitten ‘’ark-discharge’’ buharlaştırma yöntemi ile elde edilen tüpler grafitin tek tabakalı yapısının kendi etrafında bükülmesiyle oluşan yapılardır. Tek tabakalı yapının kıvrılma çapına göre tüp çapı değişmektedir. Yine kıvrılma yönüne göre değişik elektriksel ve mekanik özellikler elde edilmektedir.
Tüpler zikzak yapıda yahut düzgün olabilirler. Birbiri ardına tek tabakaların kıvrılmasıyla iç içe geçmiş tüpler elde edilebilir. Bunlara çok duvarlı karbon nanotüp denir.
Tabakanın düzgün ve simetrik kıvrılması ile koltuk modeli karbon nanotüp oluşur ve bu yapı metalik özellik gösterir.
Tabakanın zikzak kıvrılmasıyla zikzak model oluşur ve bu model yarı iletken özellik gösterir.
Düzgün karbon nanotüp yapılarda C atomları karbon nanotoplarda olduğu gibi sp2 bağı yaparlar. Farklı karbon nanotüplerin birbirine eklenmesiyle karbon nanokonik yapılar oluşturulabilir. Birleşme yerlerinde farklı geometrinin oluşması bir karbon nanotüp hem metalik hem yarıiletken olabilir.
Karbon nanotüplerde sp2 bağları oldukça sağlamdır. 1-2 nanometrelik karbon nanotüpten oluşan bir demeti koparmak için yaklaşık 36 GPa’lık bir çekme gerilmesi gerekir.
Bu kadar küçük boyutlarda üstün sağlamlık ve elektriksel özellikler göstermesi karbon nanotüplerin kullanım alanlarını her geçen gün arttırılmaktadır.
Karbon nanotüpler ark yöntemi, CVD, Laser yöntemi gibi yöntemlerle üretilirler.
Karbon Nanoçubuklar
Karbon nanotüplerde iç içe geçmiş çok duvarlı yapılar mevcuttur. Bu iç içe geçmiş duvarların birbirine uzaklığı genelde iki C atomu arası mesafeden çok daha uzundur. Bu mesafenin kısalması ve iki C atomu bağ uzunluğundan daha kısa olması durumunda bu duvarlardaki C atomları birbiri ile sp3 bağı ile bağlanırlar. Burada bağlanma iç içe geçmiş farklı nanotüplerin duvarları arasındadır. sp3 ile bağlanmış karbon nanotüp duvarlarından oluşan yapılara karbon nanoçubuk denir. Karbon nanoçubuklar, karbon nanotüplere kıyasla çok daha esnektirler.
Karbon nanoçubuklar tüp modellerden oluşabileceği gibi yan yana dizilmiş benzen halkalarından ve elmas yapılardan da oluşabilir.
Karbon Nanohalkalar
Karbon nanotüplerin silindirik halde kıvrılarak iki ucun birleşmesiyle toroid yapılar oluşabilir. Fakat bu oluşum şu anki aşamada kuramsal izahlarla var olabilmektedir.
Aynı şekilde karbon nanotüplerin kıvrılarak helezon yapılar oluşturması da muhtemeldir.
Hamdi Ekici
İstanbul Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
Kaynakça:
- D. Koruga, S. Hameroff, J. Withers, and M. Sundareshan, Fullerene C60, North-Holland,1993.
- C.P. Poole, F.J. Owens, Carbon nanostructures: Introduction to nanotechnology, J. Wiley & Sons, NJ Hoboken, 2003.
- P.M. Ajayan and T.W. Ebbesen, Rep. Prog. Phys. 60, 1025 (1997)
- G. Cao, Nanostructures and nanomaterials: synthesis, properties and applications, Imperial Cellege Press, London, 2004.
- G. Fishbine, The investor’s guide to nanotechnology and micromachines, J. Wiley & Sons, New York, 2002.
