ความน่าสนใจของการค้นพบวัสดุใหม่ๆ ก็คือการเพิ่มขีดจำกัดในการสร้างสรรค์และพัฒนาเครื่องมือ อุปกรณ์ตลอดจนสิ่งที่เกี่ยวข้องกับนวัตกรรมซึ่งช่วยให้การใช้ชีวิตของมนุษย์เราสะดวกสบายขึ้น ตัวอย่างที่สามารถเข้าใจได้ง่ายก็คือการสร้างบ้าน จากเดิมที่เราเริ่มก่อสร้างจากไม้ที่เป็นวัสดุจากธรรมชาติ ก็พัฒนามาเป็นงานคอนกรีต งานเหล็ก กระจก ไปจนถึงวัสดุในตระกูลโพลิเมอร์ ทั้งหมดนี้เป็นเส้นทางการคิดค้นและต่อยอดในเชิงวัสดุทั้งสิ้น ความคิดสร้างสรรค์ที่ดูเหมือนเป็นเรื่องเหนือจินตนาการก็สามารถทำให้เป็นรูปเป็นร่างได้จริงจากวิวัฒนาการของวัสดุที่เรามีอยู่นี่เอง
ภาพที่1 ภาพจำลองความแข็งแกร่งของแกรฟีนที่สามารถรองรับน้ำ หนักผ่านพื้นที่เล็กๆ ได้ (ซ้าย)
และความเชื่อมโยงเชิงโครงสร้างของอัญรูปต่างๆ ของคาร์บอนผ่านโครงสร้าง 2 มิติของแกรฟีน (ขวา)
ที่มา https://www2.mtec.or.th/th/e-magazine/admin/upload/302_65.pdf
และเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมาก็เกิดการค้นพบครั้งสำคัญขึ้น โดย ศ.ดร. อังเดร ไกม์ กับ ศ.ดร.คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ บุคลากรจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ พวกเขาเจอสิ่งที่เรียกว่า “กราฟีน” วัสดุที่มีคุณสมบัติพิเศษหลายอย่างจนเรียกได้ว่าเป็นวัสดุมหัศจรรย์ สิ่งนี้ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ไปในที่สุด และมันก็เป็นจุดเริ่มต้นที่ดึงดูดให้ผู้คนจากทั่วโลกจับตามองกราฟีนกันมากขึ้น
กราฟีน คือวัสดุที่เป็นส่วนหนึ่งของแกรไฟต์ มันคือการเรียงตัวของอะตอมคาร์บอนในรูปแบบโครงสร้างหกเหลี่ยม และเรียงตัวกันเพียงชั้นเดียวเท่านั้น คุณสมบัติอย่างแรกของกราฟีนจึงเป็นความบางและโปร่งใส หากเทียบให้เห็นความแตกต่างที่ชัดเจนแล้ว กราฟีนบางกว่าความหนาของเส้นผมคนเราเสียอีก บางจนไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ต้องส่องด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเท่านั้นเราถึงจะมองเห็นเป็นเยื่อบางๆ ที่อาจจะแผ่กว้างหรือซ้อนทับกันคล้ายกับกระดาษยับๆ ก็ได้ ความน่าทึ่งอีกอย่างหนึ่งก็คือเราสามารถสร้างกราฟีนแบบง่ายๆ ได้ด้วยสก็อตเทปธรรมดา แปะลงไปบนแกรไฟต์หรือผงจากไส้ดินสอแล้วก็แปะลงบนสก็อตเทปอีกแผ่นเพื่อดึงชั้นแกรไฟต์ออก ทำไปเรื่อยๆ ก็จะได้กราฟีนเอง เพียงแต่วิธีนี้เราคงไม่ได้กราฟีนที่เอาไปใช้ประโยชน์ได้จริงๆ เท่านั้นเอง
ภาพที่ 2 จำลองรูปแบบของกราฟีน
ที่มา https://pixabay.com , Fotocitizen
วิธีการผลิตกราฟีน
ถึงแม้จะได้ชื่อว่าเป็นวัสดุกราฟีนเหมือนกัน แต่คุณภาพก็จะต่างกันไปตามกระบวนการผลิต และถูกนำไปใช้ประโยชน์ในรูปแบบที่ต่างกันด้วย กราฟีนที่มีคุณภาพสูงจะถูกใช้มากในวงการอิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้า ส่วนที่เกรดต่ำลงมาก็จะเอาไปทำเป็นวัสดุกลุ่มคอมโพสิทแทน เทคนิคที่ใช้ผลิตกราฟีนในปัจจุบันมีดังนี้
Chemical Vapour Deposition เป็นกระบวนการที่เอาเรื่องความร้อนและคุณสมบัติของก๊าซมีเทนเข้ามาช่วย โดยนำโลหะเข้าไปในเตาเผาที่มีก๊าซมีเทนอยู่ เมื่ออุณหภูมิถึงระดับที่เหมาะสมจะเกิดการสลายตัวของอะตอม เหลือไว้เพียงชั้นคาร์บอนที่เกาะบริเวณผิวโลหะเท่านั้น เราจะได้กราฟีนคุณภาพสูงมากแถมยังควบคุมจำนวนชั้นของกราฟีนที่ต้องการได้ด้วย
ผลิตด้วยกระบวนการทางเคมี โดยใช้การออกซิไดซ์และการทำปฏิกิริยารีดักชันร่วมกัน เริ่มจากการดึงชั้นแกรไฟต์ให้ออกห่างจากกันแล้วค่อยลดหมู่ฟังก์ชันออกซิเจนลง วิธีการนี้จะได้กราฟีนที่คุณภาพด้อยกว่า Chemical Vapour Deposition แต่ก็มีดีตรงที่สามารถผลิตได้ครั้งละมากๆ
คุณสมบัติพิเศษของกราฟีน
ภาพที่ 3 เพชร
ที่มา https://pixabay.com , ColiN00B
กราฟีนมีค่าความแข็งแกร่งมากกว่าเพชร แต่กลับสามารถบิด หัก งอ หรือดัดแปลงรูปร่างได้โดยไม่เกิดความเสียหาย
กราฟีนเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม ถ้าที่ผ่านมาเราเข้าใจว่าทองแดงเป็นวัสดุนำไฟฟ้าที่ดีที่สุด ก็ต้องบอกว่ากราฟีนนั้นทำได้ดีกว่าหลายล้านเท่าเลยทีเดียว
นอกจากนำไฟฟ้าได้ดี ก็สามารถนำความร้อนได้ดีด้วย ได้มีการนำกราฟีนไปใช้เพื่อระบายความร้อนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บ้างแล้ว
ด้วยลักษณะที่มีความบางมากที่สุด จึงสามารถแสดงคุณสมบัติของวัสดุและอนุภาคควอนตัมได้พร้อมๆ กัน
ก็คงพอจะมองเห็นภาพแล้วว่ากราฟีนเป็นวัสดุที่มีความยืดหยุ่นในการนำไปใช้ประโยชน์ได้มากขนาดไหน ก็ต้องรอดูกันต่อไปว่า หลังจากนี้จะมีนำกราฟีนไปใช้ในวงการใดบ้าง และศักยภาพในการใช้งานจริงจะยอดเยี่ยมแค่ไหน
แหล่งที่มา
ดร.ศิริกาญจน์ วิเศษสุวรรณภูมิ (2560, มกราคม-มีนาคม). แกรฟีน วัสดุ 2 มิติ เพื่ออนาคต. สืบค้นเมื่อ 20 ธันวาคม 2562 จาก
https://www2.mtec.or.th/th/e-magazine/admin/upload/302_65.pdf
ดร.อดิสร เตือนตรานนท์ (2561, มิถุนายน 2). Big Project 'กราฟีน' วัสดุมหัศจรรย์เปลี่ยนโลก. สืบค้นเมื่อ 20 ธันวาคม 2562 จาก
https://www.bangkokbiznews.com/news/detail/803664
clubnotebook. กราฟีน วัสดุแห่งอนาคต : ตัวช่วยที่จะมายืดอายุกฏของมัวร์. สืบค้นเมื่อ 20 ธันวาคม 2562 จาก
https://notebookspec.com/กราฟีน-วัสดุแห่งอนาคต-ต/158342/
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) กระทรวงศึกษาธิการ เป็นหน่วยงานของรัฐที่ไม่แสวงหากำไร ได้จัดทำเว็บไซต์คลังความรู้ SciMath เพื่อส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์และเทคโนโลยีทุกระดับการศึกษา โดยเน้นการศึกษาขั้นพื้นฐานเป็นหลัก หากท่านพบว่ามีข้อมูลหรือเนื้อหาใด ๆ ที่ละเมิดทรัพย์สินทางปัญญาปรากฏอยู่ในเว็บไซต์ โปรดแจ้งให้ทราบเพื่อดำเนินการแก้ปัญหาดังกล่าวโดยเร็วที่สุด
The Institute for the Promotion of Teaching Science and Technology (IPST), Ministry of Education, a non-profit organization under the Thai government, developed SciMath as a website that provides educational resources in Science, Mathematics and Technology. IPST invites visitors to use its online resources for personal, educational and other non-commercial purpose. If there are any problems, please contact us immediately.
Copyright © 2018 SCIMATH :: คลังความรู้ SciMath. Terms and Conditions. Privacy. , All Rights Reserved.
อีเมล: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. (ให้บริการในวันและเวลาราชการเท่านั้น)