GRAFEN LEVHA BAZLI MALZEMELERİN ANALİZİ VE TASARIMI İÇİN HİBRİT BİR YAKLAŞIM
Bu yeni yaklaşım, kafes kusurları olan grafen tabakalarının bükülme sertliklerinin doğrudan değerlendirilmesini sağlayarak, yeni malzemeler tasarlamak için fikirler sunuyor.
Ayrımlarla Grafen Levhalardaki Bükülme Sertliğinin Kantitatif Değerlendirmesi
Grafen tabakaları (GS), olağanüstü esneklikleri, olağanüstü mekanik dayanıklılıkları ve farklı şekillere uyum sağlama kabiliyetleriyle bilinen iki boyutlu (2B) nano-karbon malzemelerdir. Özellikle, altıgen şeklindeki GS'lere 5 veya 7 üyeli halkalar eklenerek konik veya at eyeri benzeri şekiller oluşturulabilir. Altı eşkenar üçgene bölünmüş altıgen bir kağıt parçası düşünün. Bir üçgenin çıkarılması, büküldüğünde bir koni oluşturan 5 üyeli bir halka oluştururken, bir üçgen eklendiğinde eyer benzeri bir şekil oluşturan 7 üyeli bir halka oluşturur. Bu halka yapıları, sapmalar olarak bilinen dönme tipi kafes kusurlarıdır.
Ayrımlar, çeşitli GS tabanlı malzemeler geliştirmek için kullanılmıştır. Örneğin, periyodik 5 veya 7 üyeli halkalara sahip, yumurta tepsisi grafeni adı verilen dalga şeklindeki GS'ler, darbe dirençleriyle bilinirler. 7 üyeli halkalara sahip GS'ler, nano yaylar olarak kullanım için umut vaat etmektedir. Bu kafes kusurları, GS'lerin yerel eğriliği ve mekanik özellikleri, özellikle de eğilme sertlikleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Düz GS'lerin eğilme sertliği iyi çalışılmış olsa da, kesin ölçümleri zorlaştıran deformasyonların getirdiği değişkenlik nedeniyle ayrışmalı GS'lerin sertliği yeterince anlaşılmamıştır.
Bu boşluğu gidermek için, Japonya, Tokyo Bilim Enstitüsü'ndeki (Science Tokyo) Malzeme ve Kimyasal Teknoloji Okulu'ndan Doçent Xiao-Wen Lei liderliğindeki bir araştırma ekibi yeni bir yaklaşım geliştirdi. Lei, "Moleküler dinamik simülasyonlarını Helfrich membran eğilme teorisiyle birleştiren yeni bir hibrit yaklaşım geliştirdik" diye açıklıyor. "Bu yöntem, deneysel testler gerektirmeden, doğrudan atomik konfigürasyonlardan kafes kusurları olan GS'lerin bükülme sertliğinin doğrudan değerlendirilmesine olanak tanır." Ekipte, Science Tokyo'dan lisansüstü öğrencisi Yushi Kunihiro ve Profesör Toshiyuki Fujii ile Nagoya Üniversitesi'nden Doçent Takashi Uneyama yer aldı.
Helfrich membran bükülme teorisi, enerji hususlarını kullanarak eğriliklerini modelleyerek 2 boyutlu malzemelerin düzlem dışı bükülmesini açıklar. Başlangıçta biyolojik hücrelerin lipit çift katmanlarını analiz etmek için geliştirilmiş olsa da, bu teori geometrik ve mekanik benzerlikler nedeniyle GS'lere de uygulanabilir. Ancak, bu teoriyi analitik olarak çözmek oldukça zordur. Analizi basitleştirmek için araştırmacılar moleküler dinamik simülasyonları uyguladılar.
Bu yaklaşımı kullanarak ekip, ayrışmalara sahip GS'lerin dört tip analitik modelini analiz etti: pozitif ayrışma monopolleri (5 üyeli halkalar), negatif ayrışma monopolleri (7 üyeli halkalar) ve monopolleri birleştiren bağlı ve ayrılmış ayrışma dipolleri. Bağlantılı dipollerde, pozitif ve negatif sapmalar birlikte yer alırken, ayrılmış dipollerde, ayrılmış dipollerden farklı mesafelerde aralıklıdırlar.
Hesaplanan eğilme sertliği değerleri, önceki çalışmalarda bildirilen makul aralıkta olup, yaklaşımın geçerliliğini vurgulamaktadır. Daha da önemlisi, sonuçlar ilk kez, tek kutuplu ve dipollü GS'ler arasındaki eğilimlerdeki farklılıkları ortaya koymuştur. Doğrusal olmayan etkiler hariç tutulduğunda, sapma dipolleri benzer eğilme sertliği göstermiştir. Dipoller için, konik ve eyer şeklindeki yüzeylerin birleşimi, eğilme sertliğinde buna karşılık gelen yerel bir değişiklikle birlikte yerel bir şekil değişikliğine neden olmuştur. Dahası, sapmalar arasındaki mesafe arttıkça, eğilme sertliği kararlı bir değere yakınsar ve bu da kafes kusur yoğunluğunun önemini vurgular.
Lei, "Bulgularımız, kafes kusurlu GS'lerin mekanik özelliklerini anlamak için bir temel sunmakla kalmıyor, aynı zamanda belirli eğilme sertliklerine ve özel mekanik özelliklere sahip yeni GS'ler tasarlamak için de fikirler sunuyor," diyor. Genel olarak, bu çalışma nano yaylar ve darbeye dayanıklı grafen yapıları gibi yeni GS tabanlı malzemelerin geliştirilmesini hızlandırarak gelişmiş 2B malzemelerin ortaya çıkmasına yol açacaktır.
