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

1. Chemical Vapour Deposition เป็นกระบวนการที่เอาเรื่องความร้อนและคุณสมบัติของก๊าซมีเทนเข้ามาช่วย โดยนำโลหะเข้าไปในเตาเผาที่มีก๊าซมีเทนอยู่ เมื่ออุณหภูมิถึงระดับที่เหมาะสมจะเกิดการสลายตัวของอะตอม เหลือไว้เพียงชั้นคาร์บอนที่เกาะบริเวณผิวโลหะเท่านั้น เราจะได้กราฟีนคุณภาพสูงมากแถมยังควบคุมจำนวนชั้นของกราฟีนที่ต้องการได้ด้วย

2. 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

• กราฟีนสามารถรองรับน้ำหนักได้มาก แม้ว่าน้ำหนักที่ลงมานั้นจะเป็นเพียงจุดๆ เดียว ไม่ได้กระจายตัวออกก็ตาม ก็ไม่ทำให้เกิดความเสียหายแต่อย่างใด

• 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/