Q-Karbon: Elmastan Daha Sert Yeni Bir Karbon Formu

Karbon farklı form ve fazlarda bulunabilme özelliğine sahiptir. Amerika Birleşik Devletleri’ndeki North Carolina Eyalet Üniversitesi’nden bir malzeme bilimci ekibi tarafından, 2015 yılında yeni bir karbon allotropu olan Q-karbon, karbonun elmasa dönüşümü için bir mekanizma bulmaya yönelik uzun bir araştırmadan sonra keşfedilmiştir. Ekip, sert bir maddenin (safir, cam veya plastik) bir taban katmanına amorf karbon koyarak ve ardından üzerine lazerler atarak Q-karbonu oluşturmuştur. Q-karbon (Q-C), yarı kararlı (metastabil) bir karbon fazıdır.
Basit bir eritme işlemiyle, Q-karbon kazalara karşı korunaklı koşullar altında elmasa dönüştürülebilir. Q-karbon (söndürülmüş karbon), grafit ve elmastan sonra karbon elementinin bilinen üçüncü katı formudur, grafit ve elmastan farklıdır. Bu yeni karbon allotropunun bazı sıra dışı özellikleri vardır. Yeni madde oda sıcaklığında ferromanyetiktir, yani mıknatıslanabilir, elektriği iletir ve düşük enerji seviyelerine maruz kaldığında parlayabilir. Q-karbonun şimdiye kadar üretilmiş birkaç manyetik karbon malzemeden biri olması heyecan vericidir. Bu özellikler, Q-karbonu gelecekteki elektronik uygulamalar için son derece değerli hale getirebilir.

Nasıl Oluşturulur?
Bilim insanları ve onu keşfeden insanlar bile Q-karbonun kimyasal düzeyde ne olduğu hakkında iddialarda bulunmadığından, Q-karbon oluşma sürecini tam olarak anlamak zordur. Ancak elmastan daha sert olan yeni malzemeyi üretmek için gereken sürecin bir kısmını açıklanmıştır.
Araştırmacılar doğal dünyada Q-karbonun bulunabileceği tek yerin belirli gezegenlerin çekirdeği olduğunu öne sürmektedir. Malzeme bilimcileri, Q-karbonu üretmek için cam veya safir bir substrat ile işe başlar. Substrat daha sonra, bağlanma özelliklerinin bir grafit ve elmas karışımı olduğu, amorf, metastabil bir karbon fazı ile kaplanır. Karbon daha sonra 200 nanosaniye (saniyenin yalnızca 200 milyarda biri) süren tek bir KrF lazer (nanosaniye darbeli kripton florür lazer ) darbesiyle vurulur. Bu darbe sırasında, karbonun sıcaklığı 6,740 Fahrenheit dereceye (4.000 Kelvin’in üzerine veya 3,727 Santigrat derece) yükseltilir ve eritilir, ardından erimiş karbon hızla soğutulur veya söndürülür. Karbon eridiğinde, atomlar arasındaki bağlar kısalır ve malzeme aniden soğuduğu için tekrar uzamaya zaman kalmaz. Bu, bitmiş ürünü elmastan daha yoğun ve sert hale getirir. Söndürme sıvı karbonu saniyede 1,8 milyar Fahrenheit hızında soğuturken, bilim insanları aslında Tabiat Ana’yı ve donma sürecini taklit etmeye çalışmaktadır. Q-karbon elde etme işlemleri, çevreleyen hava ile aynı basınçta olan bir atmosferde ve oda sıcaklığında gerçekleşir.
Bu teknikle araştırmacılar, 20 ila 500 nanometre kalınlığında (en büyük ihtimalle 0,0005 milimetreden daha az) Q-karbon katmanları oluşturabilmişlerdir. Bu katmanlar, eğer araştırmacılar haklıysa, elmas katmanların çok daha fazla, %60’a varan oranlarda sertlik sergiler, ancak düzgün bir şekilde test etmek hala mümkün değildir. Bunun Q-karbondaki daha kısa ortalama karbon-karbon bağ uzunluklarından kaynaklanabileceği öne sürülmektedir.

Geliştirilen teknikle farklı substratlar kullanılarak ve lazer darbesinin süresi değiştirilerek karbonun ne kadar hızlı soğuduğu kontrol edilebilir. Soğutma hızı değiştirilerek, Q-karbon içinde elmas yapılar oluşturulabilir. Malzemenin nasıl yapıldığına bağlı olarak, Q-karbon elmas nano iğneler veya gömülü nano elmaslar, elmas nanodotlar ile sonuçlanabilir ancak bunların nasıl yapılacağı henüz bilinmemektedir. Bu konu üzerinde çalışmalar devam etmektedir. Q-karbon kasıtlı olarak elmas nanodotlara da dönüştürebilirler, ancak bu elmasın tam özellikleri ayrıntılı olarak açıklanmamıştır. Büyük olasılıkla değerli taş kalitesine dönüştürülebilecektir, ancak endüstriyel elmas pazarı hala çok büyüktür.
Bilim insanlarının karbonun bu yeni fazı için ne gibi kullanım alanları bulabilecekleri henüz bilinmese de aşırı koşullara ihtiyaç duyulmadan üretilebildiği için, en azından bunu öğrenebilecek konumda olan çok çeşitli araştırmacı vardır.
Not: KrF lazer, lazer göz ameliyatında kullanılanlara benzer bir lazerdir.

Özellikleri ve Kullanımı
Q-karbon kısa sürede kolayca yapılabilir. Malzemenin bir karatının ( 200 miligramı) oluşturulması yaklaşık 15 dakika sürer, ancak kolye veya yüzük için değerli taşlar daha da hızlı oluşturabilirler.
Manyetizma, floresans ve elektro iletkenlik özelliklerine sahip olan Q karbon, manyetik alanları algılayabilen biyolojik implantlar, sentetik vücut parçaları oluşturmada, televizyon ve akıllı cep telefonları için ekranlar üretmede potansiyel uygulamalara sahiptir. Bununla birlikte, özellikle uygun fiyatlı olmaları gerektiğinden, Q-karbon ekranlara ulaşmak yıllar alabilir. Teknolojide ilerleme potansiyeli vardır. Q-karbon ekranlar çok daha az güç kullanır. İçlerindeki elektronlar karbon atomlarından fırlar, bu da küçük bir voltajın atomları elektron oluşturmaya teşvik edebileceği anlamına gelir. Bu, görüntü ekranları için kullanılabilecek yumuşak bir parlaklık yaratacaktır.
Son olarak, Q-karbonun sertliği, malzemeyi derin deniz sondajı için mükemmel kılar.
Q-karbonun gelecekte çeşitli modern teknolojilerde kullanılabileceği beklenmektedir. Araştırmacılar hala bu yeni malzemenin temel özelliklerini, kullanılabileceği alanları araştırmaya ve öğrenmeye devam etmektedir.

Q- Karbon ve Elmas Arasındaki Farklar

Q karbon ve elmas, karbonun allotroplarıdır. Allotroplar, aynı kimyasal elementin farklı yapısal formlarıdır. Q karbon, bir söndürülmüş karbondur, elmas, dünyanın en sert malzemesi olarak kabul edilir. Ancak son araştırmalara göre en sert madde olarak elmasın yerini Q karbon almıştır. Q karbon ve elmas arasındaki temel fark, Q karbonunun rastgele amorf bir yapıya, elmasın ise elmas kübik kristal yapısına sahip olmasıdır. Q karbonda hem sp2 hem de sp3 hibridize karbon atomları görülebilirken, elmasta sadece sp3 hibrit karbon atomları mevcuttur.
Q Karbon ve elmas arasındaki dikkate değer bir başka fark, elmas doğal olarak oluşurken Q karbonun sentetik bir allotrop olmasıdır. Doğal elmaslar bir milyar yıl veya daha uzun bir süre önce Dünya’nın mantosunda, yüzeyin yaklaşık 100 mil altında, yüksek basınçlar ve kaya erime sıcaklıkları altında, 1 ila 3 milyon yılda oluşmuştur. Q karbonun dünyada doğal olarak var olup olmadığı bilinmemekle birlikte, muhtemelen bazı gezegenlerin çekirdeğinde var olabileceğine inanılmaktadır. Q karbon oluşturmak için önce karbon eritilmeli (nanosaniye lazer darbeleri kullanarak) ve hızla söndürülmelidir fakat elmasın yapay olarak üretimi zordur. Elmasların dünyanın kabuğunun altında yani manto tabakasında doğal yollarla oluştukları koşulların kopyalandığı süreçler kullanılarak laboratuar elmasları (kültür ya da mühendislik elmasları) üretilebilir. Bu kültür elmasları doğal elmaslarla aynı sertliğe ve parlaklığa sahiptir, kimyasal, fiziksel ve optik olarak aynıdır. Laboratuarda kontrollü ortamlarda oluşturulan elmaslar, yalnızca özel ekipman kullanılarak bilim insanları yapılan testlerle doğal elmaslardan ayırt edilebilir. Sentezleri mümkün olsa da üretim ekipmanları pahalıdır ve süreç günler, haftalar alabilir, ayrıca karbonu elmasa dönüştürmek çok büyük miktarda enerji gerektirir. Elmasla karşılaştırıldığında, Q karbonun yapım maliyeti nispeten düşüktür.

Kaynakça:

https://www.sci.news/physics/q-carbon-new-allotrope-carbon-03476.html
https://www.documentarytube.com/articles/q-carbon-new-carbon-harder-than-diamonds-for-those-who-want-one-of-a-kind-sparkler/
https://www.differencebetween.com/difference-between-q-carbon-and-diamond/
https://malzemebilimi.net/karbonun-yeni-fazi-q-karbon.html
https://www.odatv4.com/guncel/bilim-dunyasi-bu-bulusu-konusuyor-0212151200-85728
https://www.products.pcc.eu/tr/blog/karbonun-allotropik-cesitleri-nelerdir/

Yazar: Müşerref ÖZDAŞ